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进程描述

进程控制块PCB（Process Control Block）

为了方便控制管理每个程序的独立运行，在操作系统中为之配置了一种专门的数据结构，称为进程控制块。

进程实体：又称进程映像。由程序段、相关数据段和PCB三部分构成。

PCB在进程切换中的作用

系统是根据PCB来感知进程存在的。操作系统可以通过对PCB进行修改实现进程的切换

进程的定义

• 进程是程序的一次执行
• 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
• 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位 

进程使得作业的并发执行得以实现。

引发的问题

• 增加了空间开销：需要为进程创建PCB
• 增加了时间开销：需要管理、跟踪、协调进程的执行
• 增加了控制难度

进程状态

五种状态

根据进程所拥有资源不同，划分为5种状态：

1. 就绪状态：进程已获取到了除了处理器之外执行所需的所有资源
2. 执行状态：进程已获取到了包括处理器在内执行所需的所有资源
3. 阻塞状态：进程在执行过程种因等待某事件的发生而无法继续执行
4. 创建状态：进程缺少完整PCB与运行所需资源
5. 终止状态：进程释放所拥有资源的过程

就绪状态、执行状态、阻塞状态，称为进程的基本状态。

PCB的组织方式

不同应用可以产生很多异类进程，一个应用可以产生很多同类进程。无论是什么进程，按照它们的状态将它们组织到一起，常见的组织方式有两种：

• 链表方式：同一状态的进程的PCB组成一个链表，多种状态的进程PCB组成多个链表，此时会产生诸如就绪链表、阻塞链表等不同链表
• 索引表方式：所用PCB都放入同一链表，再为每种状态创建出不同的PCB索引链表

 

状态转换 

 

• 创建完成的进程直接到达的是就绪态
• 就绪态不可能直接进入阻塞态 
• 进程只能是在执行时终止

挂起与激活

挂起是将进程由活动状态变为静止状态，激活是将进程由静止状态变为活动状态 

• 静止就绪态不能直接使用CPU
• 静止阻塞态等待的事件发生会进入静止就绪态

挂起的作用：

• 满足终端用户的需求
• 满足父进程的需求
• 满足负载调节的需求

进程控制

进程创建

父子进程

进程一般是由OS内核创建，但是也允许使用一个用户进程去创建另一个进程。此时这个用户进程被称为父进程，被创建的进程称为子进程。子进程还可以再创建出更多的孙子进程，最终呈现树形结构。

子进程可以继承父进程的所有资源，且父进程不能拒绝子进程的继承权。当子进程终止时，会将其从父进程获取到的资源全部归还给父进程

父进程可以管理子进程的生命周期。父进程在终止时会将所有子进程全部终止。

在Windows种，父子进程不存在层级结构，所有进程具有同等的地位，但父进程在创建子进程时会获得子进程的句柄，可以实现对子进程的控制。 

进程创建事件

一般有三类典型事件需要创建进程：

• 用户登录：在分时系统种，用户登录后，系统内核会为用户创建一个进程
• 作业调度：在多道批处理系统种，当作业调度程序调度到某作业后，会将其装入内存，并由系统内核为该作业创建一个进程
• 请求处理：当某进程在运行过程中剔除某种请求后，系统内核或主进程会创建一个相应的子进程来处理该请求

进程创建过程

进程的创建都是调用了进程创建原语完成的。进程创建原语的创建过程如下：

1. 生成进程标识符PID，进程的唯一数字标识符
2. 申请空白PCB
3. 为进程分配除了CPU之外所需的一切资源
4. 初始化PCB，填写自己和父进程PCB所需的信息
5. 将进程写入就绪队列或静止就绪队列

进程终止

进程终止事件

典型的事件有三类：

• 正常结束：当进程的任务执行完毕后，进程会发出一条终止指令，此时会产生终端，通知OS马上终止
• 异常结束：进程运行过程种发生了某种异常，导致进程无法继续运行（如访问越界、非法指令、权限异常、运行超时、IO异常）
• 外界干预：进程被外界干预终止（如用户直接终止、OS终止、父进程终止） 

进程终止过程

OS会调用进程终止原语去终止进程，进程终止的原语过程如下：

1. 根据被终止进程的PID，找到其PCB
2. 从PCB中读取其状态，若进程处于执行态，则立即终止执行。并置调度标志为真，标识该进程可以被重新调度
3. 从PCB中读取其子进程PID，若该进程还有子进程，则终止其所有子进程
4. 从PCB中读取其所拥有的全部资源，全部释放
5. 将该进程的PCB从PCB队列或链表中移除
6. 释放该PCB空间 

进程阻塞与唤醒

进程在执行过程中突然发生了执行条件缺失，进而暂停进程等待条件满足的事件被称为阻塞，当其具备了执行条件，从而继续执行的事件被称为唤醒。

阻塞是进程自身的一种主动行为

唤醒是相关进程调用唤醒原语，将阻塞进程唤醒，是一种被动行为

典型引发进程阻塞的事件：

• 等待资源：在运行的过程中需要某种资源，由于系统中的该类资源已被其它进程所使用，无法分配其资源。
• 等待IO完成：当进程启动IO操作后，如果该进程必须在该IO操作完成后才能继续执行，则会先将进程阻塞
• 等待数据到达：对于相互合作的进程，如果一个进程专门用于处理由其它进程提供的数据，那么在其它进程提供的数据到来之前，这个进程将一直处于阻塞状态。
• 等待任务到达：对于某些系统中，特别是在分布式系统环境中，往往会设置一些特定功能的进程，每当完成特定任务后就会把自己阻塞起来，等待新任务的到来。

进程阻塞过程：

1. 立即暂停CPU的执行，保留当前CPU的现场
2. 将PCB中的状态由执行态修改为阻塞态
3. 将PCB写入到相应阻塞原因的阻塞队列
4. 启用调度程序进行重新调度，即将CPU分配给另一就绪进程
5. 按照新进程的PCB设置CPU的新环境

进程唤醒过程：

1. 将该进程的PCB从 阻塞队列移除
2. 修改PCB中的状态由阻塞变为就绪
3. 将PCB插入到就绪队列

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