【操作系统】进程

1、进程的概念

程序和进程的区别

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，如：QQ.exe。

进程：是动态的，是程序的一次执行过程，如：可同时启动多次QQ程序。

同一个程序多次执行会对应多个进程。

如下图，我们可以通过QQ.exe打开多个程序，但每一个QQ程序都对应着唯一的进程。

2、进程的组成

进程由PCB、程序段和数据段组成。PCB是给操作系统用的，程序段、数据段是给进程自己用的。

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像），引入进程实体的概念后，可把进程定义为：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

注：进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的。

PCB（Process Control Block）：进程控制块

思考：操作系统作为进程的管理者，要怎么区分各个进程呢？

当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的“身份证 号”—— PID（Process ID，进程ID）

操作系统要记录PID、进程所属用户ID（UID），还要记录给进程分配了哪些资源（如：分配了多少内存、正在使用哪些I/O设备、正在使用哪些文件），并且记录进程的运行情况（如：CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等）。

这些信息都被保存在PCB 中，操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中。

PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，当进程结束时，会回收其PCB 。

程序段

包含程序指令。

数据段

包含运行过程中产生的各种数据。

3、进程的特征

• 动态性（动态性是进程最基本的特征）：进程是程序的一次执行过程，是动态产生、变化和消亡的。

• 并发性：内存中有多个进程实体，各个进程可并发执行。

• 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位。

• 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题。

• 结构性：每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成。

4、进程的状态与转换

• 进程正在被创建时，它的状态是“创建态”，在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB。

• 当进程创建完成后，便进入“就绪态”， 处于就绪态的进程已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，就暂时不能运行。

  • 当CPU空闲时，又会选择另一个“就绪态”进程上CPU运行。

• 如果一个进程此时在CPU上运行，那么这个进程处于“运行态”。

• 在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（如等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的响应）。在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入“阻塞态 ”。

• 一个进程可以执行 exit 系统调用，请求操作系统终止该进程。 此时该进程会进入“终止态”，操作系统会让该进程下CPU ，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的PCB。当终止进程的工作完成之后，这个进程就彻底消失了。

Q1：那如何区分上述这五种状态呢？

A1：进程PCB中，会有一个变量 state 来表示进程的当前状态。如：1表示创建态、2表示就绪态、3表示运行态… 为了对同一个状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来。

补充说明：运行态—>阻塞态是进程主动选择的行为。

而阻塞态—>就绪态不是进程自主能控制的，是一种被动行为

5、进程控制

定义

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

进而言之，就是要实现进程状态转换。

如何实现进程控制？

使用“原语”来实现。

原语是一种特殊的程序， 它的执行具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可中断。

进程控制相关的原语

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事情：

1、更新PCB中的信息

2、将PCB插入合适的队列

3、分配/回收资源

6、进程通信（IPC）

什么是进程通信？

进程间通信 ( Inter-Process Communication,IPC ) 是指两个进程之间产生数据交互。

为什么进程通信需要操作系统支持?

进程是分配系统资源的单位(包括内存地址空间),因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

共享存储

• 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放 一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、 限制多，是一种低级通信方式。

• 基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一 块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通 信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。

消息传递(间接通信方式)

进程间的数据交换以格式化的消息 ( Message) 为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

管道通信

进程通信——管道通信“管道”是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区

• 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信， 则需要设置两个管道。

• 各进程要互斥地访问管道(由操作系统实现)

• 当管道写满时 ，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。

• 当管道读空时 ，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。

• 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：①一个管道允许多个写进程， 一个读进程 (2014年408真题高教社官方答案);②允 许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据 (Linux 的方案 ) 。
  醒读进程。

• 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：①一个管道允许多个写进程， 一个读进程 (2014年408真题高教社官方答案);②允 许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据 (Linux 的方案 ) 。