考研408《操作系统》复习笔记，第六章《进程》

一、进程的概念、组成、特征

1、概念

概念：进程是一个“进程实体”运行的过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位（注意，这个“进程实体”不能单纯理解为一个程序，因为一个程序的多次执行也对应不同的进程，比如多个微信号的微信打开）

这里尤其要注意进程的特点：

【动态性】：进程是动态的，它表示的是一个程序在运行的过程、状态

• 程序是静态的，就只是一个放在内存里的可执行文件.exe，一堆指令集合
• 进程是动态的，它是这个程序的一次执行过程（同一程序的多个执行就是多个进程）

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【独立性】：是独立运行的，是独立获得资源的最小单位，即使同一个软件打开多个，那么这么多个被打开运行的软件依旧是独立的进程，互不影响

我们使用【Ctrl + Shift + Esc】或者右键“Win开始”图标，就能打开【任务管理器】

任务管理器就能看到我们正在运行的进程

2、进程的组成

1）PCB（Process Control Block）

那么思考，操作系统作为资源的管理者，它是怎么管理进程的、怎么区别该给哪个进程调度哪些资源？

跟我们前后端开发一样，任何用来区分信息的做法就是————设置身份识别【id】

那么操作系统一样，每创建一个进程，操作系统会给它创建一个唯一的、不重复的身份识别：【PID】（Process ID）

哪怕一个程序刚刚被关闭马上又被打开，它的PID仍然会改变

而改变的规则就只是每创建一个进程就在上一个进程PID基础上【PID++】，比如我刚刚打开qq，PID=233，然后马上关闭又马上再打开，这个qq的进程会变成PID=234

除了【PID】基本身份识别以外，操作系统还记录了进程这些信息：

1.基本进程描述信息：PID（进程ID）、UID（创建进程的该用户的ID）

        根据基本进程信息，操作系统可以区别各个进程

2.记录分配了那些资源：分配多少内存、使用哪些文件、正在使用哪些I/O设备......

        根据这些可实现操作系统对资源调度的管理

3.记录进程的运行情况：使用了多久CPU、网络流量使用情况、磁盘使用情况......

        可用于操作系统对进程的控制、调度

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那么这些信息都被存放到一个【数据结构】————PCB（Process Control Block）里，也叫“进程控制块”。操作系统需要用到的进程信息都放在这里。

2）程序段、数据段

进程的组成不止只有PCB，还有【程序段】和【数据段】

一个程序运行时，就是先把程序放到内存，然后开始运行

这时在运行前就要先创建记录这个进程所有信息的“数据结构块”【PCB】，然后紧接着创建【程序段】和【数据段】，将可执行程序里的所有指令放入【程序段】，将所需数据放入【数据段】

然后CPU会在进程中的【程序段】获取到一条一条“指令”，来操控各个资源运作

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【数据段】则装运行过程产生的数据

一般来说可以把 “进程” 就理解为 “进程实体（进程映像）”，但是要仔细看这二者还是有区别的

“进程实体（进程映像）”可以理解是整个进程过程里的某一个动态片段的 “快照”，在这一时态里“进程实体（进程映像）”记录了静态的【PCB】【程序段】【数据段】信息

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“进程”是动态的一个过程，由多个“进程实体（进程映像）”构成

另外记住：

• 1、PCB是给操作系统用的
• 2、程序段、数据段是给进程自己本身用的

3、进程的特点（了解即可）

二、进程的状态以及转换

1、进程的状态

进程分为五种状态：

• 创建态：程序刚刚从放内存准备运行，进程刚刚被创建中
• 就绪态：创建完毕，等待被操作系统交给CPU运行
• 运行态：交给了CPU，正在运行ing......
• 堵塞态：运行时当遇到某个“事件”，需要等待，那就先从CPU上退下变成“堵塞态”
• 终止态：完全运行完，结束这个进程的时候的状态

2、进程状态的转换

【创建态——>就绪态】

【创建态】就是：一个进程一开始先是一个程序【放入内存】开始运行，然后开始创建“进程实体（进程映像）”所需要的三大部分：【PCB】【程序段】【数据段】

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【就绪态】就是：创建完之后就可以进入到就绪态了

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        可以理解为一个小银行，一个客户要办业务，先取号、准备好证件、想好自己要说什么，准备完就可以就绪准备下一个叫号到自己的时候过去办业务了

【就绪态——>运行态】

一般电脑都是只有1个CPU的，这些进程里的指令只能靠这个CPU来操作管控的时候才是一个进程正在开始运行，那么当CPU空闲时，操作系统就会让一个【就绪态】的进程上CPU上面开始运行，这时就是【运行态】

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此时CPU已经被占用了，那其他的进程依旧保持【就绪态】

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        就好比这个小银行只有一个窗口，只有一个业务员，当你准备好了、上一个办业务的结束了业务了，那么窗口就空闲了，业务员就可以叫号让你来办业务，那么你就从就绪态进入到运行态，在这期间别的客人只能等

【运行态——>堵塞态】

【堵塞态——>就绪态】

【运行态——>堵塞态】：当一个【运行态】的进程执行某个指令遇到一个事件，比如要使用外部I/O设备打印机，而此时外部设备又在服务别的进程还没办法退出，那么这个进程就得等待，此时就会从CPU上退下来，变回【就绪态】，然后CPU开始处理别的【就绪态】的进程

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【堵塞态——>就绪态】：那么当外部设备比如“打印机”又空闲了，刚刚【堵塞态】的进程就又可以变回【就绪态】，等待CPU上别的进程结束，在上CPU变成【运行态】

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注意：【堵塞态】不能直接变成【运行态】，也不能从【就绪态】直接变【运行态】

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    可以理解为，假设你的业务是很复杂的，现在还需要借助经理来处理，但是现在经理还在忙（比如给朋友处理事情、骂保安.....），等了半天一个叼业务还没办完总不能一直让你占着茅坑不拉屎，那你就滚一边待着，让下一个客户来窗口办理业务；

    等经理忙完了，你跟他大概解释一下情况，然后现在又准备就绪，等待窗口办理完上一个客户的业务，然后下一个又是你回去，办完你的业务

【终止态】

顾名思义，没啥好解释的，就是执行到exit指令，退出结束.....

【挂起态】

注意！！！！注意！！！！！注意！！！！！

        以上这些状态都是在【内存】里的，不管是 “就绪态” 还是 “阻塞态”，他始终还是在内存，只不过是有没有被CPU处理而已

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但是除了这几种状态，其实还有一种【挂起态】：

【挂起态】也可以细分为【就绪挂起态】和【阻塞挂起态】

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        当内存中的进程够多了，内存空间已经不够了的时候，操作系统会把一些不是那么重要的进程数据移到【外存】，有点类似被操作系统 “赶出来了”，被挂起的进程的PCB数据会被放到一个【挂起队列】，通过 “中级调度” 的某些策略来决定让哪些挂起的进程回到内存（这些知识点后面讲【调度管理】会讲到）

        在【就绪态】“被赶出来” 就是【就绪挂起态】；在【阻塞态】“被赶出来” 就是【阻塞挂起态】

        一定要区分，【阻塞态】还是在内存里，只是从CPU上下来了；【挂起态】是直接被赶出内存，放到外存先

        可以理解成【阻塞态】只是你在这个银行窗口办业务时在等经理处理的时候，先从窗口下来在旁边等经理有空为止，但是还在银行里面；【挂起态】是这个银行已经爆满了，等着办理业务的人挤满了大厅，只好让一些业务不是那么紧急的人先出银行，在银行门口排队等着先

3、进程的组织方式

操作系统就像银行的引导员 或 叫号系统，他根据一个进程的状态来决定让一个进程该不该“办理业务”、“退出业务”......问题是操作系统是如何知道一个进程的状态的？

那是因为进程里的数据结构【PCB】里有一个【属性/字段：state】来记录进程的状态

那么操作系统为了方便管理，就会将各个进程的PCB组织起来，根据不同状态进行一个分类、排序，从而有序的管理进程工作

常见的有两种组织形式：【链式方式】、【索引方式】

【链式方式】

链式方式是最常用的方式，使用 指针 + 数组 的数据结构形式，执行指针指向【运行态】的PCB、就绪队列指针指向【就绪态】的PCB、堵塞指针指向【堵塞态】的PCB（很多操作系统还会根据堵塞的原因不同，又分成多个堵塞队列）

【索引方式】

不常用，知道即可，操作系统会给各种状态进程建立对应状态的【索引表】

然后执行指针指向【运行态】的PCB、就绪队列指针指向【就绪态】的索引表、堵塞指针指向【堵塞态】的索引表

表中的索引项指向各个PCB（因为单核计算机1个CPU，同一时刻只有一个运行态的进程，所以执行指针直接指向【运行态】的PCB）

三、进程控制

进程控制就是：操作系统到底是怎么实现各个进程的状态转换的？

1、“原语” 实现进程控制的流畅

操作系统对于进程的控制是使用 “原语” 使用的，它是一种特殊的程序，具有 “原子性” ，也就是运行时会 “一气呵成、连贯顺畅”

为什么要“一气呵成”？

2、【原语】的 “原子性” 是啥？

正常情况：CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。

原子性：CPU执行了关中断指令之后，就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查。

这样，【关中断、开中断】之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了“原子性”

注意：这两个【关闭中断】、【开启中断】指令是内核程序的【特权指令】，普通用户程序没有这些指令。

3、一个进程不同状态对应的不同类型原语

创建原语

撤销原语

阻塞原语 和 唤醒原语

切换原语

4、程序运行时【CPU】搭配【进程】的流程

涉及一点点计算机组成原理内容，可以参考我的文章：考研408《计算机组成原理》复习笔记，第一章计算机系统概述_计算机组成原理考研知识点总结-优快云博客

CPU中有很多【寄存器】用来暂存运行时需要的数据

那么【CPU】结合操作系统里的【进程】：

程序运行时，有的数据会频繁中途存在 ——> CPU里的PSW程序状态寄存器（运算器组件）、PC指令地址寄存器（控制器组件）、IR指令寄存器（控制器组件）、通用寄存器（运算器组件）......

也会用到 ——> 进程中的【数据段】

但是假设遇到堵塞状态，CPU会切换成别的进程（毕竟只有一个CPU），那么寄存器里的上一个进程的数据就会被覆盖，怎么办？

做法就是，把CPU里的寄存器的信息，备份到进程里的PCB（不是所有寄存器，只存PSW、PC和通用寄存器这些有用的）

当原来的进程再次投入运行时，可以通过PCB恢复它的运行环境

总结

四、进程的通信

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

比如微博分享一个链接到微信

但是各个进程之间是相互独立的！！！

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

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这是为了安全性考虑，你也不想在看着黄色APP的时候让APP共享你后台的相册里的照片吧....

那么就有3种通信共享方式：

1、共享存储

第一种方式是【共享存储】，操作系统会开辟一个【共享存储区】，供需要共享信息的两个进程进行数据传输，具体如何实现后面章节再讲，这里只需要知道有这么东西

共享存储还细分为两种方式：【基于数据结构的共享】和【基于存储器的共享】

1、基于数据结构的共享。：操作系统限定好了固定的存储大小，有多大的空间就存多少数据。这是低级的通信方式。

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2、基于存储器的共享：操作系统划分出【共享存储区】之后，具体“怎么存？”、“存在什么位置？”这都是进程之间自己决定了，操作系统不干预。这是高级通信方式。

2、消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息为单位。

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。

消息传递又细分为2种方式：

【直接通信方式】

就是 “发送信息的进程” 使用【发送原语】，“指名道姓”指向要发送到的进程的Pid

然后操作系统就会将“发送信息的进程”的消息，放入操作系统内核里的 “被指定Pid的进程” 的PCD里的【消息队列】

然后“被指定Pid的进程”，也就是 “接收信息的进程” 就会使用 “接收原语”，去操作系统内核的自己的PCB里，把自己的消息队列里刚刚那个信息，取回自己的进程的PCB里

【间接通信方式】

不采用直接的“指名道姓”的方式传输信息，发送方只指明要把信息放哪个【信箱】

接收方也一样，取信息只取指明的某一个【信箱】里取信息

而且的多个进程可以往统一信箱发消息，多个进程也可以从同一个信箱取信息，当然也可以有多个信箱

3、管道通信方式

【管道通信】跟【共享存储】很像，都是由操作系统开启一块固定好存储大小空闲的区域，这个“管道”就是在内存里开辟的一个固定的内存缓冲区

但是！！它的数据结构跟【共享存储】完全不一样，要记得【共享存储】的数据放在什么位置，是不固定的，任意位置；但是【管道通信】的数据结构是一个 “循环队列”！！存储信息采用队列的“先进先出”的原则

【管道通信结构】

1）半双工通信：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

2）全双工通信

如果需要实现两个进程双向同时通信，就需要设置两个管道

然后注意：

• 各个进程要互斥的访问管道（这由操作系统完成）
• 管道写满时，写进程堵塞（直到读进程将信息取走，就可以唤醒写进程）
• 管道读空时，读进程堵塞（直到写进程写入数据，就可以唤醒读进程）
• 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)

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【例题】：

写进程会把缓冲区写满，然后才让读进程读数据；当缓冲区里还有数据的时候，写进程不会忘里面写数据 （×）

【解释】：  

写进程往管道写数据，即便管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据

读进程从管道读数据，即便管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据

【总结】