二：操作系统之进程概念

揭秘操作系统核心：进程的生命旅程与五种状态

在现代计算机系统中，我们同时运行着各种各样的程序：浏览器、音乐播放器、文本编辑器、后台服务…… 操作系统如何有效地管理这些并发执行的任务，让它们既能共享系统资源，又不相互干扰，安全有序地运行？答案在于进程（Process）。

进程是操作系统中最基本、最重要的概念之一。理解进程，就是理解操作系统的核心工作之一。

1. 什么是进程 (Process Concept)？

最简单也最准确的定义：进程是程序的一次执行实例。

这句话包含了几个关键点：

• 程序 (Program)： 程序是静态的，它是一组存储在磁盘上的指令集合。就像菜谱一样，只是一份蓝图或说明书。
• 执行 (Execution)： 进程是动态的，它代表了程序正在运行的过程。就像按照菜谱“做菜”一样，是一个正在进行中的活动。
• 实例 (Instance)： 同一个程序可以同时运行多次，每次运行都是一个独立的进程。比如，你可以同时打开多个浏览器窗口，每个窗口通常对应一个或多个独立的进程。

所以，当你双击一个应用程序图标时，操作系统就会为你创建一个进程，并将该程序的指令和数据加载到内存中，然后让 CPU 开始执行这些指令。

一个进程不仅仅包含程序代码，它还包含程序执行所需的各种资源和状态信息：

• 程序代码 (Text Segment): 正在执行的程序的机器指令。
• 程序数据 (Data Segment): 全局变量、静态变量等。
• 堆 (Heap): 运行时动态分配的内存区域。
• 栈 (Stack): 存储局部变量、函数参数和返回地址等，用于函数调用。
• 进程控制块 (Process Control Block, PCB): 这是操作系统用来管理进程的关键数据结构。它包含了进程的几乎所有信息，如进程 ID (PID)、进程状态、程序计数器 (PC)、CPU 寄存器值、内存管理信息（页表/段表）、文件描述符表、调度信息、优先级等。PCB 是进程存在的唯一标志，操作系统通过 PCB 来跟踪和控制进程。

可以把 PCB 看作是进程的“身份证”和“状态记录表”。

2. 进程与程序的区别

通过上面的定义，我们可以明确区分进程和程序：

特征	程序 (Program)	进程 (Process)
概念	静态的指令集合	动态的程序执行实例
存在形式	存储在磁盘或文件系统中	存在于内存中，由操作系统管理
生命周期	永久存在（除非被删除）	有生命周期：创建、运行、终止
资源	不拥有系统资源（如内存、文件句柄）	拥有和控制系统资源
并发性	不具备并发性	可以并发执行（多个进程同时运行同一个程序）
实体	无对应的系统实体	操作系统管理的独立实体，有唯一的 PID 和 PCB

举例：

假设你在电脑上安装了 Google Chrome 浏览器 (chrome.exe)。

• chrome.exe 文件：这是程序。它静静地躺在你的硬盘上，不会消耗 CPU 或内存（除了存储空间）。
• 你打开了三个 Chrome 窗口：这时，操作系统为你创建了三个或更多（Chrome 会为每个标签页等创建独立进程）进程，每个进程都运行着 chrome.exe 的代码。这三个进程是独立的，它们有各自的内存空间（数据、堆、栈）、文件句柄（如打开的网页文件）、进程 ID。它们是 chrome.exe 这个程序的三次独立的执行实例。你关闭一个窗口（一个进程终止）并不会影响其他窗口（其他进程）。

3. 进程的状态 (Process States)

进程在其整个生命周期中，会经历不同的阶段，这些阶段被称为进程状态。操作系统需要跟踪进程的状态以便进行有效的管理和调度。常见的进程状态有五种：

1. 新建 (New): 进程正在被创建。操作系统正在为其分配资源（如内存、PCB）。
   • 何时进入： 当用户启动一个程序（例如双击应用图标），或者一个进程通过系统调用（如 fork()) 创建另一个进程时。
   • 举例： 你刚点击运行某个程序，系统正在准备它。
2. 就绪 (Ready): 进程已经被创建，所需的资源（除了 CPU）都已分配到位，并已被加载到主存。它已准备好随时运行，只等待 CPU 的调度。
   • 何时进入： 新建状态的进程资源分配完成后；运行状态的进程时间片用完被剥夺 CPU 时；等待状态的进程等待的事件发生后。
   • 举例： 你的多个程序都已启动并加载到内存，等待 CPU 执行它们的指令。
3. 运行 (Running): 进程的指令正在 CPU 上执行。在单核 CPU 系统中，任意时刻只有一个进程处于运行状态；在多核 CPU 系统中，每个核上最多有一个进程处于运行状态。
   • 何时进入： 操作系统调度器从就绪队列中选择一个进程分配 CPU。
   • 举例： 当前 CPU 正在执行你的浏览器进程的代码。
4. 等待/阻塞 (Waiting / Blocked): 进程由于等待某个事件的发生而被暂停执行。这些事件通常是 I/O 操作完成、等待某个资源可用、等待接收某个信号等。处于等待状态的进程即使 CPU 空闲也无法运行。
   • 何时进入： 进程发出 I/O 请求（如读写文件、发送网络数据）；进程等待某个锁或信号量；进程调用 sleep() 函数；进程等待子进程结束 (wait())。
   • 举例： 你的文本编辑器正在等待你输入键盘字符；你的音乐播放器正在等待从硬盘读取下一首歌曲。
5. 终止 (Terminated): 进程执行完毕（正常退出），或者被操作系统或用户强制终止。操作系统会回收该进程所占用的所有资源（内存、文件描述符等），并最终移除其 PCB。
   • 何时进入： 进程调用 exit() 系统调用正常结束；进程收到终止信号被杀死；父进程调用 kill() 杀死子进程；操作系统出现错误终止