进程常见知识点总结

野性酷女 2021-12-18 18:03 398阅读 0赞

不管是工作面试还是应试考试，进程都是操作系统中非常重要的一环，因为进程是**操作系统进行资源分配的基本单位**，同时进程也是相对于操作系统来说可以**独立运行的基本单位**，本文将向大家详细介绍进程的前世今生以及风流韵事。  
本文主要内容如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9haS1leGNlcHRpb24uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 前趋图&程序执行 ##

我们首先来分析一下为什么操作系统要引入进程这个概念，即进程从哪来？

一般来说，操作系统按照是否支持并发可分为以下两类：

1.  早起的计算机大多数都是**单道批处理系统**，即每一个时刻最多只能有一道用户程序被装入内存中执行、其他用户程序只能等待，这样的机制使得计算机的资源得不到充分利用、系统吞吐率低下。
2.  后来的**多道程序系统**中正式支持多道用户程序的同时执行，使得系统资源的利用率得到了大幅提高。

这两种不同的程序运行机制有着很大的不同，尤其是资源分配方面，在单道批处理系统中，每一时刻运行的用户程序最多只有一个，这时资源很好分配，只需要把系统所有资源都分配给正在运行的那一个用户程序即可。可是多道程序系统呢？同一时刻可能有多个用户程序都在运行，如何合理地将有限的系统资源分配给这些用户程序？以什么单位进行资源的分配？为了解决这一系列的问题，引入了操作系统中进程的概念，所以，在对进程做深入了解之前，我们先介绍一下程序的顺序执行和并发执行，从这两种不同的程序执行方式中寻找进程的来源。

### 前趋图 ###

**前趋图**实际上是一个有向无环图（`DAG,Directed Acyclic Graph`），描述的是**多个进程的执行顺序**，如下图所示：

![image-20190701143809203][]

在前趋图中，每个结点代表一个进程（如上面的4个圆），箭头表示了进程之间的执行顺序，比如上图所示的前趋图表示要求`ABCD`四个进程需要按照 A → B → C → D A \\to B \\to C \\to D A→B→C→D的顺序进行执行。

前趋图可以使用式子进行抽象表示，比如上图表示的进程间关系可以描述为：  
 A → B , B → C , C → D 或 ( A , B ) , ( B , C ) , ( C , D ) A \\to B,B\\to C,C\\to D \\space 或\\\\ (A,B),(B,C),(C,D) A→B,B→C,C→D或(A,B),(B,C),(C,D)  
注意，**前趋图中不能有循环，即回路**，否则必然会出现冲突，比如像下图：

![image-20190701144150877][]

具有回路，边1要求A在B之前执行，边2要求B在A之前执行，这显然永远不可能实现，即具有冲突。

### 程序顺序执行 ###

程序顺序执行很好理解，就是多个程序按照指定顺序串行进行执行，反映到前趋图上就是：

![image-20190701143809203][]

表示ABCD四个程序会串行顺序进行执行。

我们可以发现程序顺序执行具有以下几个特点：

1.  **顺序性**：处理机严格按照指定的顺序执行
2.  **封闭性**：程序会在封闭的环境下运行，运行时独占系统资源，结果不受其他程序干扰
3.  **可再现性**：只要程序执行时的环境与初始条件相同，不管执行多少次程序，最后的结果一定是一样的

### 程序并发执行 ###

程序顺序执行导致计算机资源利用率过低，解决办法就是引入程序并发执行，但是很明显不是所有程序都可以并发执行，如果两个程序具有**前趋关系**，这两个程序一定不可能并发执行。

我们举个例子，比如有4个应用程序，每一个应用程序所做的工作如下：

S1:

a:=y+2

S2:

b:=y+4

S3:

c:a+b

S4:

d:=c+b

很明显，在执行`S3`之前必须知道`a`和`b`的值即`S1`和`S2`必须执行完成，在执行`S4`的时候必须知道c```和``b```即`S3`和`S2`必须完成，而`S1`和`S2`之间没有前趋关系，可以并发执行以提高效率，这样抽象出来前趋图为：

![image-20190701150017122][]

可以看到，S1和S2就可以并发执行，这样可以提高系统的资源利用率。

那么并发执行有什么特点呢？总结一下大概有3条：

1.  间断性：比如上面的例子，S1和S2是并发执行的，有可能S1执行了1s就执行完成了，但是S2需要执行3s才能完成，由于S1和S2都完成的前提下S3才能运行，所以会导致S2等待S1执行完成，即S2需要暂停，这就导致了并发程序具有“执行——暂停——执行”这种间断性的活动规律。
2.  失去封闭性：当多个程序进行并发执行时，每一个程序都有可能影响系统的资源状态，进而间接影响到其他正在运行的程序的状态，比如S1运行的时候由于运算量太大导致占用系统资源过渡，进而S2没有可用资源，S2就必须暂停等待系统的空闲资源，即S1的运行将S2的状态从运行中影响到等待中。
3.  不可再现性：由于并发程序运行时失去了封闭性，所以不能保证程序运行的可再现性，即同一个程序多次执行的结果可能不一致，比如有程序A和程序B并发执行，二者共同操作变量N，A的操作是：`N=N+1；`，B的操作是`Printf（N）；N=0；`，即：
    
    ![image-20190701151655927][]
    
    由于并发执行时程序的运行速度受系统资源影响（没有封闭性导致的），所以有可能发生的情况有：
    
    ![image-20190701152315229][]
    
    如上图所示，可以看到，由于并发，会产生多种可能的代码执行顺序，进而产生多种执行结果，即程序的运行结果不可再现（不要杠精上线说上图2、3两个执行顺序执行结果一样哦）。

看到这里有的读者可能会有疑问，既然都不能保证运行结果的唯一性，程序的并发执行还有意义吗？是的，我们一定是想让我们的程序在执行的时候可以产生唯一结果、不受其他程序影响、而且具有可再现性，所以我们就需要解决这个问题，聪明的读者已经猜出来如何解决了，是的，就是**进程**。

## 进程的描述 ##

### 进程的定义和特征 ###

#### 进程的定义 ####

本节主要介绍进程的定义。

首先再明确一下引入进程的目的：**使程序可以并发执行，对并发执行的程序加以描述和控制**。

其次我们我们来看一下进程的组成部分：

![image-20190701154918974][]

可以看到，**进程实体**（进程映像，简称进程）由**程序段**、**相关的数据段**、\*\*进程控制块（`PCB`）\*\*三部分组成，程序段、相关的数据段都很好理解，那什么是进程控制块呢？

为了使参与并发执行的每个程序(含数据)都能独立运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构，称之为进程控制块（`Process Control Block，PCB`），系统利用`PCB`来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程。

另外提醒一点，一般情况下，所谓的创建进程实际上指的是**创建进程实体中的PCB**，而撤销进程实际上指的是**撤销进程的PCB**。

现在我们可以对进程做一个正式的定义了：进程是**进程实体的运行过程**，是系统进行**资源分配和调度的独立单位**。

#### 进程的特征 ####

要明确，**进程和应用程序是两个截然不同的概念**，进程有PCB，而应用程序没有，此外，进程还具有以下特征（附有普通应用程序和进程的区别）：

![image-20190701160525878][]

### 进程的基本状态及转换 ###

在上一节我们提到进程具有动态性的特点，即进程就有一定的声明周期，那么在进程声明周期的不同阶段进程会处于不同的状态，一般来说，进程的具有两类、五个状态，如下图所示：

![image-20190701161409654][]

#### 基本状态 ####

进程有三种基本状态：

1.  **就绪（Ready）状态**：进程获取了**除CPU资源之外**的所有必须资源后的状态（如果系统中有多个进程都处于就绪状态，通常按照一定的优先策略将他们排成一个队列，该队列称为**就绪队列**）
2.  **执行（Running）状态**：进程已经获取了所有资源（包括CPU资源），当前正在运行。
3.  **阻塞状态（Block）**：正在执行的进程由于某些事件（比如I/O请求、申请缓冲区失败等）暂时无法继续执行的状态，也称进程的执行受到阻塞（阻塞状态、等待状态、封锁状态），当有多个进程处于阻塞状态时，也会将这些阻塞状态的进程排成一个或多个阻塞队列。

那么进程的这三种状态时如何转化的呢？一图胜千言，直接看图：

![image-20190701163741817][]

#### 其他状态 ####

除了以上的三种基本状态，进程还具有一下两种常见的状态：

1.  创建状态
2.  终止状态

##### 创建状态 #####

创建进程是一个很复杂的过程，要经历多个步骤：

1.  申请空白PCB
2.  向PCB填写用于控制和管理进程的信息
3.  为进程分配运行时所必须的资源
4.  将进程转为就绪状态
5.  将进程插入就绪队列

那么这么多步能保证一次立马顺序执行完吗？答案当然是不能，由于系统资源的动态性，创建进程的过程有可能出现暂停、等待，但是此时进程的创建还没有完成，即进程还不能被调度运行，此时的进程处于的状态就是创建状态。

通过创建状态的引入，操作系统可以根据系统性能或主存容量的限制推迟新进程的提交（创建状态），而当进程获取了所有必须资源后，即可由创建状态转入就绪状态。

##### 终止状态 #####

进程的终止也是一个较为复杂的过程，要经历两步：

1.  等待操作系统进行善后处理
2.  将PCB清零、PCB空间返还系统

进程进入终止状态后不能再继续执行，但在操作系统中依然保留一个记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其他进程收集。一旦其他进程完成了对其信息的提取，操作系统即删除该进程，即将PCB清零，将空白PCB返还给操作系统。

下图展示了引入创建状态和终止状态后的进程状态转换图：

![image-20190701164926560][]

### 挂起操作和进程状态的转换 ###

在许多操作系统中，还可以对进程执行**挂起操作**，该操作作用于某个进程时，该进程将被挂起，意味着此时该进程处于静止状态，如果进程正在执行，它将暂停执行，若原本处于就绪状态，则该进程此时暂不接受调度。与挂起操作相对应的是**激活操作**。

挂起操作主要发生在以下几个场景：

1.  终端用户需要
2.  父进程的请求
3.  负荷调节的需要
4.  操作系统的需要

挂起操作一般是通过**Suspend原语**进行实现的，而激活操作是通过**Active原语**进行实现的。

引入了挂起和激活操作之后衍生出了以下几种状态：

![image-20190701172757999][]

而这些状态之间的转换关系可用下图表示：

![IMG\_20190701\_173104R][IMG_20190701_173104R]

### 进程管理中的数据结构 ###

![image-20190701202055110][]

如上图是操作系统控制表的一般结构，此处我们重点介绍一下操作系统所管理的进程表，即进程控制块PCB。

#### PCB的作用 ####

总的来说，**进程控制块（Process Control Block**）的作用是：**使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据）成为一个能独立运行的基本单位、一个能与其他进程并发执行的进程**。具体地，可将PCB的作用细分为一下几部分：

![image-20190701203253244][]

从PCB的作用我们可以看出，PCB的的很多功能都是基于PCB中存储的信息才能实现的，那么PCB中都存储有哪些信息呢？

#### PCB中的信息 ####

简单来说PCB中主要包括四方面信息：

![image-20190701204551632][]

#### PCB的组织方式 ####

在一个操作系统中，可能同时存在很多个PCB（成百上千个），操作系统是以何种方式管理、组织这些PCB的？目前常用的组织方式有以下三种：

![image-20190701205626565][]

## 进程控制 ##

所谓的进程控制，其实主要指的是以下几部分：

![image-20190701210011238][]

而这些功能一般是借助操作系统内核中的**原语**来进行实现的，我们先来了解一下操作系统内核。

### 操作系统内核 ###

什么是**操作系统内核**：现代操作系统一般将OS划分为不同的层次，然后将OS的不同功能别别放置到不同的层次中。通常将一些与硬件紧密相关的模块（如中断处理程序）、各种常用设备的驱动程序、运行频率较高的模块（如时钟管理）都安排在紧靠硬件的软件层中，将他们驻留在内存中，即通常所说的**OS内核**。

将OS内核部分驻留在内存中主要是出于两个目的：

1.  便于对内核进行保护、防止遭受其他软件的破坏
2.  提高OS的运行效率

为了防止OS本身及关键数据（如PCB）被其他程序破坏，将处理机的执行状态分为两种：

1.  系统态：又称**管态**，也称**内核态**，拥有执行一切指令的权限
2.  用户态：又称**目态**，具有较低特权，仅能执行特定的指令

关于操作系统内核的功能我们也需要有一定的了解和认知，这里总结如下图：

![image-20190701211144129][]

### 进程的创建 ###

#### 进程的层次结构 ####

在操作系统中，允许一个进程创建另一个进程，被创建的进程是儿子，创建儿子的进程是父亲，而儿子有可创建新进程，这时候就有了孙子，子子孙孙无穷尽也，由此便形成了一个进程的**层次结构**（类似家族族谱的树形结构）。

进程之间的这种层次结构是十分重要的，比如子进程可以继承父进程的资源，父进程被撤销时一定也会撤销子进程，为了表示这种进程之间的结构关系，在PCB中设置了**家族关系表项**，以标明**自己的父进程**和**所有的子进程**。

注意：windows系统不存在进程之间的父子关系，所有进程都是平等的。

#### 进程图 ####

进程图没什么复杂的，就和家谱图一毛一样，主要是为了表示各个进程之间的父子关系，比如：

![image-20190701212104375][]

#### 引起进程创建的事件 ####

什么情况下会进行进程的创建呢？大致分为以下四类：

![image-20190701212918553][]

其中黄色的三类是系统内核为用户创建新进程，第四类是用户进程自己创建新进程。

#### 进程的创建 ####

进程创建就四步：

![image-20190701213857259][]

### 进程的终止 ###

#### 引起进程终止的事件 ####

引起进程终止的事件主要有三类，分别如下：

![image-20190701215113517][]

#### 进程终止的过程 ####

当系统发生了要求终止进程的某事件，OS将调用**进程终止原语**，按照以下步骤进行进程的终止：

![image-20190701215945908][]

### 进程的阻塞和唤醒 ###

#### 引起进程阻塞的事件 ####

![image-20190701220539548][]

#### 进程阻塞的过程 ####

正在执行的进程，如果发生了上述引起进程阻塞的事件，便会通过调用阻塞原语block将自己阻塞（即进程的阻塞是一个主动行为），然后：

1.  立即停止执行
2.  将进程的现行状态改为阻塞
3.  将PCB插入阻塞队列
4.  转调度程序，重新进行调度，将处理机分配给另一就绪执行的进程，并进行切换

#### 进程唤醒的过程 ####

进程唤醒是通过wakeup原语来进行实现的，过程如下：

1.  将待唤醒的进程从阻塞队列中移出
2.  将其PCB状态由阻塞改为就绪
3.  将其PCB插入就绪队列中

注意：block和wakeup必须成对使用。

### 进程的挂起与激活 ###

#### 进程挂起 ####

当进程中出现了引起进程挂起的事件后，OS将利用挂起原语suspend将指定进程挂起，执行过程如下：

1.  检查进程的当前状态，如果处于活动就绪状态，将其置为静止就绪
2.  如果处于活动阻塞状态，将其置为静止阻塞
3.  为了方便用户或父进程考察该进程的运行情况，将该进程的PCB复制到某指定的内存区域
4.  若被挂起的程序正在执行，转向调度程序重新调度

#### 进程激活 ####

进程的激活是通过激活原语active实现的，过程如下：将进程从外存调入内存，检查该进程的现行状态，若是静止就绪，便将之改为活动就绪；若为静止阻塞，便将之改为活动阻塞。假如采用的是抢占调度策略，则每当有静止就绪进程被激活而插入就绪队列时，便应检查是否要进行重新调度，即由调度程序将被激活的进程与当前进程两者的优先级进行比较，如果被激活进程的优先级低，就不必重新调度，否则，立即剥夺当前进程的运行，把处理机分配给刚刚被激活的进程。

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