进程

进程的概念与特征¶

OS处理程序/作业的发展

一次装入并运行一个“作业”
铜焊丝装入多个“程序”，并发执行
同时装入多个程序，并发执行，仅当等待I/O时切换程序执行
同时装入多个程序，并发执行，程序切换条件：执行时间长度到或者I/O等待

进程概念的提出（Multics, 1964）

不同角度下描述的进程

一个正在执行的程序
计算机中正在运行的程序的一个实例
可以分配给处理器，并由处理器执行的一个实体
由一个顺序执行的代码段、一个当前状态和一组相关系统资源所刻画的活动单元

定义：一个执行中程序的实例

进程给应用程序提供两个关键抽象

逻辑控制流
- 每个程序似乎独占地使用CPU
- 通过OS内核的上下文切换机制提供
私有地址空间
- 每个程序似乎独占地使用内存系统
- OS内核的虚拟内存机制提供

进程的基本特征¶

动态性
并发性
独立性（进程是一个能独自运行的基本单位，是系统进行资源分配和调度的基本单位）
异步性
结构性（程序+数据+进程控制块PCB）

进程与程序的区别¶

程序不具备进程的前四个特征
进程和程序并非一一对应：通过多次执行，一个程序可对应多个线程；通过调用关系，一个进程可执行多个程序

进程的状态、转换和控制¶

进程的三种基本状态¶

就绪状态：进程分配到了必要资源，等待获得CPU执行的状态
运行状态：进程分配到了必要资源和CPU，在CPU上执行的状态
阻塞状态：又称为等待态，程序正在等待某一事件而暂停运行，放弃CPU而处于暂停状态。即使CPU空闲，但是并未等到所需资源时，该进程也不能运行

进程状态的转换¶

新建：至少建立PCB，但进程相关的其他内容可能未调入主存
终止：进程已终止，但资源等待父进程或系统回收

进程控制块PCB¶

什么是PCB？
- 描述进程与其他进程、系统资源的关系以及进程在各个不同时期所处状态的数据结构
进程的组成
- PCB：进程的动态特征，该进程与其他进程和系统资源的关系
- 程序与数据：描述进程本身所应完成的功能
PCB内容
- 进程描述信息：PID，UID
- 进程控制与管理信息：进程当前状态，进程优先级，代码运行入口地址，程序的外存地址，进入内存时间，处理机占用时机，信号量使用
- 资源分配清单：代码段指针，数据段指针，堆栈段指针，文件描述符，键盘，鼠标
- 处理器相关信息：通用寄存器值，地址寄存器值，控制寄存器值，状态字

进程的控制¶

进程的创建¶

允许一个进程创建另一个进程。创建者为父进程，被创建者为子进程。子进程可以继承父进程所拥有的资源，当子进程被撤销时，应将其从父进程那里获得的资源归还给父进程。

父进程可以通过调用fork函数创建一个新的运行状态的子进程
fork(void)，返回0给子进程，返回子进程的PID给父进程，出错的话返回-1

子进程与父进程的PID不同

进程的终止¶

引起进程终止的时间有
- 正常结束
- 异常结束
- 外界干预
  - OS
  - 父进程终止
  - 父进程请求

可以通过exit函数进行程序的终止，约定正常结束返回0，错误时返回非0值。

另一种显式设置退出状态的方法是从主程序返回一个整数值

进程的阻塞与唤醒¶

指正在执行的进程，因为期待的事情未发生，会使自己的运行态变为阻塞态。阻塞是进程自身的一种主动行为

等阻塞等待的条件被满足时，进程会被唤醒进入就绪态。。唤醒操作一般是由另一个和被唤醒进程相关的合作的进程实现的

可能引起进程阻塞的事件
- 请求系统服务
- 等待I/O操作
- 等待数据到达
- 无新工作

进程的切换¶

进程切换是指处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，在这个过程中，进程的运行环境发生了实质性的变化。进程切换的过程如下

保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器
更新PCB信息
把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列
选择另一个进程执行，并更新其PCB
更新内存管理的数据结构
恢复处理机上下文

并发处理的真相¶

你以为的：计算机同时运行许多进程

单/多用户的应用程序
后台任务，如监测网络和I/O设备

实际上的：单处理器在并发地执行多个进程

进程交错进行
地址空间由虚拟内存系统管理
未执行进程的寄存器保存在内存中

寄存器当前值保存到内存→调度下一个进程执行→加载保存的寄存器组，并切换地址空间-上下文切换

对于多核处理器

单个芯片有多个CPU
共享主存，有的还共享cache
每个核可执行独立的进程，kernel负责处理器的内核调度

并发进程¶

每个进程都是个逻辑控制流
如果两个逻辑流在宏观时间上有重叠，则称这两个进程是并发的，否则是顺序的

在用户角度来看，并发进程的控制流在物理上是不相交的，但是我们仍然可以认为并发进程是并行运行的

进程内是串行、进程之间的并行

上下文切换¶

内核：一块共享的内存驻留操作系统代码
内核并不是一个独立进程，但是作为其他存在的进程的一部分来运行

控制流的切换传递通过上下文切换进行

进程的一些其他操作¶

回收子进程¶

原因
- 进程终止后任然消耗着系统资源
- 僵尸进程：终止了但是还没有被回收
回收(Reaping)
- 父进程执行回收：收到子进程退出状态
- 内核删除僵尸子进程
如果父进程不执行回收工作会发生什么？
- 如果父进程没有回收子进程并终止，则僵尸进程将会由Init进程(PID=1)进行回收

进程