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　　2.2 进程的描述

　　2.2.1 进程的定义和特征

　　1、进程的定义

　　（1）为什么要引入进程？

　　为了使程序在并发执行时，仍然具有可再现性，需要对并发执行的程序进行描述和控制，所以引入“进程”。

　　（2）进程的定义

　　进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

　　（3）进程的构成

　　由程序段、数段段和进程控制块三部分构成了进程实体(又称进程映像)。一般将进程实体简称为进程。

　　（4）进程控制块(Process Control Block，PCB)

　　PCB是一个数据结构，用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息。

　　2、进程的特征

　　·特征有：动态性、并发性、独立性、异步性。

　　（1）动态性

　　进程的实质是进程实体的执行过程。动态性主要表现在：“它由创建而产生，由调度而执行，由撤消而消亡。”（进程由OS创建，由OS分配处理机完成调度，由OS将进程从内存中撤出完成撤消。）

　　（2）并发性

　　指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。

　　（3）独立性

　　在传统的OS中，独立性指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。

　　（4）异步性

　　指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。

　　2.2.2 进程的基本状态及转换

　　1、进程的三种基本状态(就绪、执行、阻塞)

　　（1）就绪(Ready)状态

　　·指进程已处于准备好运行的状态，也就是进程已分配到除CPU以外的所有必要资源，此时只要再获得CPU，就可以立即执行。(就绪状态时，进程在内存中。)

　　·如果系统中有多个处于就绪状态的进程，通常将它们按一定的策略(如优先级策略)排成一个队列，称该队列为就绪队列。

　　（2）执行(Running)状态

　　·指进程已获得CPU，其程序正在执行的状态。

　　（3）阻塞(Block)状态

　　·指正在执行的进程由于发生某事件(如I/O请求、申请缓冲区失败等)暂时无法继续执行的状态，即进程的执行受到阻塞。

　　·进程受到阻塞时，会引起进程调度，OS会把处理机分配给另一个就绪进程，让阻塞的进程暂停，一般称这种暂停状态为阻塞状态、等待状态或封锁状态。

　　·通常系统会将阻塞状态的进程也排成一个队列，称为阻塞队列。一般在较大的系统中，为了减少队列操作的开销，会根据阻塞原因的不同，设置多个阻塞队列(在内存中)。

　　2、三种基本状态的转换

　　·就绪状态——>执行状态：由进程调度，使得进程由就绪状态转换为执行状态。

　　·执行状态——>就绪状态：原因可以是时间片用完，也可以是有优先级高的进程到来。

　　·执行状态——>阻塞状态：执行过程中遇到I/O请求或等待某事件。

　　·阻塞状态——>就绪状态：I/O完成或事件发生。

　　3、创建状态和终止状态

　　·两种常见状态：创建状态、终止状态。

　　（1）创建状态

　　·在就绪状态前，如果进程所需的资源暂时不能得到满足，如系统尚无足够的内存使进程无法装入其中，此时创建工作未完成，进程不能被调度运行，这时进程所处的状态称为创建状态。

　　·创建有多个步骤：首先要由进程申请(向内存申请)一个空白PCB(程序控制块)，并向PCB中填写用于控制和管理进程的信息；然后为该进程分配运行时所必须的资源；最后，把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。

　　（2）终止状态

　　·当一个进程到达了自然结束点，或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结，或是被其他有终止权的进程所终结，进程将进入终止状态。

　　·进入终止状态的进程以后不能再执行，但在操作系统中依然保留一个记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其他进程收集。当其他进程完成了对其信息的提取之后，操作系统将删除该进程，即将PCB清零，并将该空白PCB返还系统。

　　·进程终止的两个步骤：首先是等待操作系统进行善后处理，最后将该进程的PCB清零，并将PCB空间返还系统。

　　2.2.3 挂起操作和进程状态的转换

　　·系统将某进程挂起，意味着该进程处于静止状态，挂起操作对应激活操作。

　　1、挂起操作引入的原因

　　（1）终端客户的需要。终端用户在运行程序时发现有问题，想暂停程序使程序停止，之后进行修改。

　　（2）父进程请求。有时父进程希望挂起自己的某个子进程，以便考察和修改子进程，或者协调各进程之间的活动。

　　（3）负荷调节的需要。当实时系统中的工作负荷较重，系统会将一些不重要的进程挂起，以保证系统能正常运行。

　　（4）操作系统的需要。操作系统有时希望挂起某些进程，这样检查运行中的资源使用情况。

　　2、引入挂起原语操作后三个进程状态的转换

　　（1）活动就绪——>静止就绪。

　　·活动就绪状态，表示为Readya，此时进程可以接受调度。当用挂起原语Suspend将就绪状态的进程挂起后，进程为静止就绪状态，表示为Readys，此时的进程已被转入外存，不能被系统调度执行。

　　（2）活动阻塞——>静止阻塞。

　　·活动阻塞状态，表示为Blockeda，当用Suspend原语将它挂起后，进程变为静止阻塞状态，表示为Blockeds。处于静止阻塞状态的进程在其所期待的事件出现后，它将从静止阻塞状态变为静止就绪状态。

　　（3）静止就绪——>活动就绪。

　　·静止就绪状态的进程用激活原语Active激活后，进程转换为活动就绪状态。

　　（4）静止阻塞——>活动阻塞。

　　·静止阻塞状态的进程用激活原语Active激活后，进程转换为活动阻塞状态。

　　2.2.4 进程管理中的数据结构

　　·为了便于对计算机中的各类资源的使用和管理，操作系统OS将它们抽象为相应的各种数据结构。

　　1、操作系统中用于管理控制的数据结构

　　·在计算机系统中，对于每个资源和每个进程都设置了一个数据结构，用于表征其实体，称之为资源信息表或进程信息表，其中包含了资源或进程的标识、描述、状态等信息以及一批指针。

　　·OS管理的数据结构一般分为四类：内存表、设备表、文件表和进程表。通常进程表又被称为进程控制块PCB。

　　2、进程控制块PCB的作用

　　·进程控制块PCB(Process Control Block)是一个数据结构，它作为进程实体(回忆一下，进程实体包括数据块，程序块以及进程控制块)的一部分，记录了操作系统所需的，用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息。

　　·PCB的具体作用如下：

　　（1）作为独立运行基本单位的标志。

　　·当一个程序配置了PCB之后，就表示它已经成为了一个进程，可以取得操作系统OS的相关服务。

　　（2）能实现间断性运行方式。

　　·当程序因阻塞而暂停运行时，PCB会保留进程运行时的CPU现场信息全自动发泡水泥保温板，这样进程再次被调度运行时，可以利用PCB恢复CPU现场信息，这样即使是“走走停停”的间断性运行方式，也可以保证程序运行结果的正确性(保证了其运行结果的可再现性)。

　　（3）提供进程管理所需要的信息。

　　·当调度程序调度到某进程运行时，要根据PCB中记录的程序和数据在内存或外存中的始址指针，找到相应的程序和数据；还可以根据PCB中的资源清单了解到该进程所需的全部资源。

　　（4）提供进程调度所需要的信息。

　　·只有处于就绪状态的进程才能被调度执行，在PCB中提供了进程处于何种状态的信息。

　　（5）实现与其它进程的同步和通信。

　　·在PCB中有用于实现进程通信的区域或通信队列指针等。

　　3、进程控制块中的信息

　　（1）进程标识符

　　·外部标识符。由创建者提供，通常由字母、数字组成，主要是为了方便用户(进程)对进程的访问。

　　·内部标识符。为了方便系统对进程的使用，在OS中为进程设置内部标识符，即赋予每一个进程一个唯一的数字标识符，它通常是一个进程的序号。

　　（2）处理机状态。

　　·处理机状态信息也称为处理机的上下文，主要由处理机中的各种寄存器中的内容组成。寄存器内容包括：

　　·通用寄存器，又称用户可视寄存器，用于暂存信息。

　　·指令计数器，存放要访问的下一条指令的地址。

　　·程序状态字PSW，含有状态信息，例如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等。

　　·用户栈指针：存放过程和系统调用参数及调用地址。

　　·当进程被切换时，处理机状态信息都必须保存在相应的PCB中，以便在该进程重新执行时能再从断点继续执行。

　　（3）进程调度信息。

　　·在OS进行调度时，必须了解进程的状态及有关进程调度的信息。这些信息包括：

　　·进程状态，指明进程的当前状态。

　　·进程优先级，用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数。

　　·进程调度所需的其它信息，例如进程已等待CPU的时间总和等。

　　·事件，指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。

　　（4）进程控制信息

　　·指用于控制进程所必须的信息，包括：

　　·程序和数据的地址。

　　·进程同步和通信机制。

　　·资源清单。

　　·链接指针，给出本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。

　　4、进程控制块的组织方式

　　（1）线性方式。将系统中所有PCB都组织在一张线性表中。

　　（2）链接方式。把具有相同状态进程的PCB分别通过PCB中的链接字链接成一个队列。

　　（3）索引方式。系统根据所有进程状态的不同，建立几张索引表，例如就绪1索引表、阻塞索引表等。

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