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操作系统学习进程（1）进程的概念与状态

news 2025/10/21 8:31:05

目标问题：

“一个程序是如何变成一个能运行的进程的？”

学习重点：

程序 → 进程（加载、分配资源、进入就绪队列）
进程的 状态转换图（创建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 终止）
PCB（Process Control Block，进程控制块）是什么、为什么重要

📘 建议练习：
画出进程状态转换图，用一句话解释每个箭头代表的操作（例如：等待I/O → 阻塞）。

🧭 一、从“程序”到“进程”

我们先来一个最根本的问题：

程序（Program）和进程（Process）有什么区别？

对比点	程序（Program）	进程（Process）
本质	一堆静态的代码和数据（文件）	正在执行的程序实例
存放位置	硬盘上	内存中
是否在运行	不运行，只是资源	正在运行，有生命期
是否独立资源	没有系统分配的资源	拥有独立资源（内存、文件、CPU时间等）

👉 一句话总结：

程序是“做菜的菜谱”，进程是“正在做菜的厨师”。

🧩 二、进程的组成：PCB + 程序 + 数据

操作系统为了管理成千上万个进程，需要给每个进程一个“身份证”，这就是：

📋 PCB（Process Control Block）

它记录了进程的一切关键信息：

进程标识符（PID）：唯一编号
进程状态：就绪 / 运行 / 阻塞
程序计数器（PC）：记录执行到哪一条指令
寄存器内容：保存CPU上下文
内存管理信息：代码段、数据段、堆、栈地址
I/O信息：打开的文件、设备状态
调度信息：优先级、时间片等

操作系统正是通过 PCB 来保存与恢复进程状态，实现进程切换。

🔄 三、进程的五种状态

我用文字画一遍状态图，说明：

         ┌──────────────┐│              ││   创建(new)  ││              │└──────┬───────┘│ 系统为进程分配资源、建立PCB▼┌──────────────┐│              ││   就绪(ready)│ ←─── 被唤醒(如I/O完成)│              │└──────┬───────┘│ 调度器选中它，获得CPU▼┌──────────────┐│              ││ 运行(running)││              │└────┬────┬────┘│    ││    │ 调用I/O、等待事件│    ▼│ ┌──────────────┐│ │              ││ │ 阻塞(blocked)││ │              ││ └──────┬───────┘│        │ I/O完成、事件就绪▼        │┌──────────────┐│              ││ 终止(terminate) ││              │└──────────────┘

每个箭头表示一种“事件”：

从“运行 → 阻塞”：等待I/O
从“阻塞 → 就绪”：I/O完成
从“运行 → 终止”：程序执行完或被结束

状态	含义	转换触发
创建（new）	系统为新进程分配资源、建立PCB	调用 fork()、CreateProcess() 等
就绪（ready）	已准备好运行，只等CPU调度	时间片到 / I/O完成
运行（running）	占用CPU执行指令	时间片到 / 调用I/O / 被抢占
阻塞（blocked）	等待I/O或事件	事件发生后唤醒进入就绪
终止（terminated）	程序运行完或被结束	系统回收资源

🧩 四、什么是阻塞（Blocked）？

想象一个场景：

你写了个程序，要从硬盘读取一个文件。
当执行到 read(file) 时，程序必须等文件读取完成才能继续计算。

而磁盘很慢（相对CPU而言），CPU每秒能执行几十亿条指令，但磁盘读取一次数据可能要几毫秒。

如果CPU在这几毫秒内干等着，那就浪费了宝贵的计算资源。
于是——

💡 操作系统干了一件聪明的事：

当程序要等某个事件（比如磁盘、网络、用户输入）时，系统让它“先睡一觉”，
把CPU让给别的程序。

这个“睡眠”的状态就是：

阻塞（Blocked），也叫 等待（Waiting）

⚙️ 阻塞的本质：进程在等待“外部事件”

所以，进程的状态变化大概是这样的：

创建 → 就绪 → 运行 → （等待I/O）→ 阻塞↑└—— I/O完成 → 就绪

用更生活的例子来理解：

场景	状态
你在排队等餐（CPU没空）	就绪
轮到你点餐（获得CPU）	运行
你等菜上桌（等I/O）	阻塞
菜来了（I/O完成）	唤醒回到就绪
吃完离开	终止

👉 阻塞不是错误，也不是停止运行，
而是“暂时没事干，等事件发生再回来”。

🔍 五、那 I/O 是什么？

I/O 是 “Input / Output” 的缩写，
指的是输入输出设备相关的操作。比如：

类型	举例	特点
输入	键盘输入、鼠标点击、从文件读取	程序需要“等”输入完成
输出	显示输出、写文件、打印	也需要等待外设反应
网络	向服务器发请求、等待数据返回	网络延迟更明显

这些操作都不是CPU在做，而是由I/O设备控制器或DMA完成。
CPU只是发出请求，然后继续干别的活，等I/O完成后再回来处理结果。