操作系统（12）进程描述与控制--进程概述（2）
操作系统控制计算机系统内部的事件，为处理器执行进程而进行调度与分配资源，响应客户端基本服务请求。
12.1操作系统的控制结构
操作系统为了管理进程与资源，必须掌握关于每个进程和资源当前状态的信息。操作系统的控制结构是内核用于管理硬件资源、进程、文件等核心实体的结构化数据集合，核心作用是 “记录状态、关联资源、支撑调度与管理”。
12.2进程控制结构
操作系统的控制结构围绕 “实体管理” 设计，核心分为 6 大类，覆盖从硬件到应用的全层级管理：
1. 进程管理核心：进程控制块（PCB，Process Control Block）
PCB 是操作系统感知和管理进程的 “唯一标识”，每个进程对应一个 PCB，进程生命周期内持续存在。
核心字段与功能：
进程标识信息：PID（进程 ID）、PPID（父进程 ID）、UID/GID（权限标识），用于唯一识别进程；
进程状态信息：当前状态（运行 / 就绪 / 阻塞）、优先级、调度参数，支撑 CPU 调度；
资源占用信息：内存段指针（代码段 / 数据段 / 堆栈段）、打开的文件描述符列表、I/O 设备关联信息，记录进程占用的所有资源；
执行上下文：程序计数器（PC）、寄存器数据、堆栈指针，用于进程暂停 / 恢复时的上下文切换；
控制信息：信号掩码、同步机制（信号量 / 消息队列 ID）、异常信息（错误码），支撑进程间同步与异常处理。
核心作用：实现进程的生命周期管理（创建→调度→执行→终止），是内核调度、资源分配的核心依据。
2. 内存管理核心：页表（Page Table）与内存控制块（MCB）
内存控制结构的核心是 “实现内存虚拟化”，让进程高效、安全地使用物理内存。
页表（Page Table）：
功能：将进程的虚拟地址映射到物理内存地址，解决 “虚拟地址空间与物理内存的适配” 问题；
关键字段：虚拟页号（VPN）、物理页框号（PFN）、页权限（读 / 写 / 执行）、有效位（是否映射物理页）；
优化结构：多级页表（如二级 / 三级页表），减少页表占用的内存空间。
内存控制块（MCB，Memory Control Block）：
功能：管理物理内存的分配与回收，记录物理内存的使用状态；
关键字段：物理页框号、页框状态（空闲 / 已分配 / 共享）、占用进程 ID、页框大小，支撑内存分配算法（如空闲分区链、伙伴系统）。
核心作用：实现内存的高效利用（如分页 / 分段管理）、进程地址空间隔离（通过页权限控制）。
3. 设备管理核心：设备控制块（DCB，Device Control Block）
DCB 是内核与 I/O 设备交互的 “桥梁”，每个 I/O 设备（如磁盘、网卡、键盘）对应一个 DCB。
核心字段与功能：
设备标识：设备类型（块设备 / 字符设备）、设备编号（主设备号 + 次设备号），用于唯一识别设备；
设备状态：就绪 / 忙 / 故障、当前 I/O 操作类型（读 / 写），记录设备工作状态；
控制信息：设备寄存器地址、I/O 缓冲区指针、传输模式（中断驱动 / DMA），用于内核向设备发送控制指令；
I/O 请求队列：未完成的 I/O 请求链表，实现 I/O 请求的排队与调度（如电梯调度算法）。
核心作用：屏蔽不同设备的硬件差异，为内核提供统一的设备操作接口（open/read/write），支撑 I/O 管理。
4. 文件管理核心：文件控制块（FCB，File Control Block）与索引节点（inode）
文件控制结构的核心是 “记录文件元信息”，实现文件的创建、读写、删除等操作。
文件控制块（FCB）：
功能：存储文件的核心元信息，是文件存在的标志；
关键字段：文件名、文件类型（普通文件 / 目录 / 设备文件）、文件大小、创建 / 修改 / 访问时间、物理存储地址（如磁盘块号）、权限控制（所有者 / 组 / 其他用户的读写执行权限）。
索引节点（inode，Unix/Linux 系统）：
功能：与 FCB 类似，存储文件元信息，但 inode 与文件名分离（文件名存储在目录项中）；
优势：支持硬链接（多个文件名指向同一个 inode）、节省存储空间（目录项仅存储文件名与 inode 映射）。
关联结构：目录项（Directory Entry）：存储文件名与 inode/FCB 的映射关系，支撑文件路径查找（如
/home/user/file.txt需遍历各级目录项）。核心作用：实现文件的按名存取、权限控制、存储空间管理。
5. 调度与同步核心：调度队列（Scheduling Queue）与同步控制块
支撑进程调度与进程间同步，确保系统高效、有序运行。
调度队列：
分类：就绪队列（存储就绪态进程的 PCB）、阻塞队列（按阻塞原因分类，如 I/O 阻塞队列、信号量阻塞队列）；
功能：调度器从就绪队列中选择优先级最高的进程分配 CPU，阻塞进程按原因加入对应阻塞队列，事件完成后移至就绪队列；
实现：通常用链表或优先级队列（如红黑树）实现，保证调度效率。
同步控制块：
信号量控制块（SemCB）：记录信号量值、等待进程队列，支撑进程间互斥与同步；
消息队列控制块（MsgCB）：记录消息队列 ID、消息链表、权限信息，支撑进程间消息传递；
功能：解决进程间资源竞争与协作问题，避免死锁、数据错乱。
6. 系统级控制结构：系统控制块（SCB，System Control Block）
记录操作系统整体运行状态的全局控制结构，是内核的 “总控中心”。
核心字段与功能：
系统状态信息：当前 CPU 利用率、内存使用率、活跃进程数，用于系统监控；
全局资源信息：空闲物理页框总数、未分配的设备编号、系统级信号量（如全局互斥锁），支撑全局资源分配；
启动参数：系统启动时的配置（如内存大小、CPU 核心数、启动模式），用于内核初始化；
异常处理信息：中断向量表（映射中断号与中断处理程序地址）、系统调用表（映射系统调用号与内核处理函数），支撑中断与系统调用处理。
核心作用：统筹全局资源，协调各子系统（进程管理、内存管理、I/O 管理）的运行，确保系统稳定性与高效性。
12.3进程核心控制结构的关联逻辑
操作系统的控制结构并非孤立，而是通过 “指针关联、队列挂载” 形成有机整体，以 “进程运行” 为例，核心关联流程如下：
进程启动时，内核创建 PCB，同时为进程分配虚拟地址空间，生成页表（关联虚拟地址与物理内存）；
进程执行
open系统调用时，内核查找目录项，找到对应的 FCB/inode，将文件描述符加入 PCB 的文件描述符列表（PCB 与 FCB 关联）；进程执行
read系统调用时，内核通过 PCB 中的文件描述符找到 FCB，再通过 FCB 关联的 DCB 与设备交互（FCB 与 DCB 关联）；若 I/O 未完成，进程状态转为阻塞态，PCB 被移至 DCB 的 I/O 请求队列（PCB 与 DCB 关联）；
I/O 完成后，设备触发中断，内核通过中断向量表找到中断处理程序，将 PCB 从阻塞队列移至就绪队列（PCB 与调度队列关联）；
调度器从就绪队列中选择 PCB，恢复其执行上下文（PCB 中的寄存器数据、PC），进程继续运行。
12.4进程控制：内核与应用层如何操作进程
进程的生命周期由内核和应用层通过系统调用协同控制，核心操作如下：
1. 核心系统调用
进程创建：
fork()（创建子进程，复制父进程资源）、exec()（替换进程的程序代码，执行新程序）；进程终止：
exit()（进程主动退出）、kill()（向进程发送信号，触发终止或其他行为）；进程等待：
wait()/waitpid()（父进程等待子进程退出，回收资源，避免僵尸进程）；进程状态控制：
sleep()（进程主动阻塞指定时间）、pause()（进程阻塞至收到信号）；资源控制：
getrlimit()/setrlimit()（获取 / 设置进程资源限制，如最大内存、CPU 时间）。
2. 特殊进程类型
僵尸进程（Zombie）：子进程退出后，父进程未调用
wait()回收资源，PCB 残留（仅保留 PID、退出状态等少量信息），占用系统资源；孤儿进程（Orphan）：父进程先于子进程退出，子进程被 init 进程（PID=1）收养，退出后由 init 回收资源（无危害）；
守护进程（Daemon）：后台运行的特殊进程，脱离终端控制（如 Linux 的 sshd、nginx 进程），用于提供持续服务。