进程的基本概念解读

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-10-13 08:04 16阅读 0赞

**目录**

什么是进程

PCB

OS中用于管理控制的数据结构

进程控制块PCB的作用

进程控制块中的信息

前趋图

背景

作用

表示

示例

程序的顺序执行

程序顺序执行的特征

程序的并发执行

程序的并发执行的特征

例题解读

进程的三种基本状态

进程的三种状态之间的转换

进程的创建状态

进程的终止状态

挂起操作与进程状态的转换

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#### 什么是进程 ####

对于进程的定义，从不同的角度可以有不同的定义，其中较典型的定义有：  
(1) 进程是程序的一次执行。  
(2) 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。  
(3) 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。

#### PCB ####

系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程

注意：PCB是进程在计算机中的唯一标识（含有标识信息），计算机通过查看PCB来感知进程的存在。

> 进程的组成  
> 程序+数据集合+进程控制块（PCB）

##### OS中用于管理控制的数据结构 #####

在计算机系统中，对于每个资源和每个进程都设置了一个数据结构，用于表征其实体，我们称之为资源信息表或进程信息表，其中包含了资源或进程的标识、描述、状态等信息以及一批指针。通过这些指针，可以将同类资源或进程的信息表，或者同一进程所占用的资源信息表分类链接成不同的队列，便于操作系统进行查找。  
OS管理的这些数据结构一般分为以下四类：内存表、设备表、文件表和用于进程管理的进程表，通常进程表又被称为进程控制块PCB。

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##### 进程控制块PCB的作用 #####

(1) 作为独立运行基本单位的标志。  
(2) 能实现间断性运行方式。  
(3) 提供进程管理所需要的信息。  
(4) 提供进程调度所需要的信息。  
(5) 实现与其它进程的同步与通信。

##### 进程控制块中的信息 #####

在进程控制块中主要包括四部分的信息：  
1）进程标识符  
进程标识符用于唯一地标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：

> a) 外部标识符（相当于是可执行程序的文件名，由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是用户访问该进程使用）。  
> b) 内部标识符（方便系统使用而设置,每一个进程赋予一个唯一的整数，作为内部标识符，PID）。

2) 处理机状态  
处理机状态信息也称为处理机的上下文，主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。

3）进程调度信息  
在OS进行调度时，必须了解进程的状态及有关进程调度的信息，这些信息包括：  
① 进程状态，指明进程的当前状态，它是作为进程调度和对换时的依据；  
② 进程优先级，是用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机；  
③ 进程调度所需的其它信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如，进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等；  
④ 事件，是指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。

4）进程控制信息  
是指用于进程控制所必须的信息，它包括：  
① 程序和数据的地址，进程实体中的程序和数据的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据；  
② 进程同步和通信机制，这是实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中；  
③ 资源清单，在该清单中列出了进程在运行期间所需的全部资源(除CPU以外)，另外还有一张已分配到该进程的资源的清单；  
④ 链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。

#### 前趋图 ####

##### 背景 #####

在早期未配置OS的系统和单道批处理系统中，程序的执行方式是顺序执行，即在内存中仅装入一道用户程序，由它独占系统中的所有资源，只有在一个用户程序执行完成后，才允许装入另一个程序并执行。可见，这种方式浪费资源、系统运行效率低等缺点。

单道批处理系统：程序的执行方式是顺序执行即在内存中仅装入一道用户程序，由它独占系统中的所有资源，只有在一个用户程序执行完成后，才允许装入另一个程序并执行。  
缺点：这种方式浪费资源、系统运行效率低等缺点

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##### 作用 #####

为了能更好地描述程序的顺序和并发执行情况，我们先介绍用于描述程序执行先后顺序的前趋图。所谓前趋图(Precedence Graph)，是指一个有向无循环图，可记为DAG(Directed Acyclic Graph)，它用于描述进程之间执行的先后顺序。图中的每个结点可用来表示一个进程或程序段，乃至一条语句，结点间的有向边则表示两个结点之间存在的偏序(Partial Order)或前趋关系(Precedence Relation)。

##### 表示 #####

进程(或程序)之间的前趋关系可用“→”来表示，如果进程Pi和Pj存在着前趋关系，可表  
示为(Pi，Pj)∈→，也可写成Pi→Pj，表示在Pj开始执行之前Pi 必须完成。此时称Pi是Pj的直接前趋，而称Pj是Pi的直接后继。在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node)，把没有后继的结点称为终止结点(Final Node)。此外，每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或程序的执行时间。

##### 示例 #####

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> 图（a）存在着如下前趋关系：  
> P1→P2，P1→P3，P1→P4，P2→P5，P3→P5，P4→P6，P4→P7，P5→P8，P6→P8，  
> P7→P9，P8→P9  
> 或表示为：  
> P=\{P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9\}  
> =\{(P1, P2), (P1, P3), (P1, P4), (P2, P5), (P3, P5), (P4, P6), (P4, P7), (P5, P8), (P6, P8), (P7,P9), (P8, P9)\}

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前趋图中是不允许有循环的，否则必然会产生不可能实现的前趋关系。图(b)所示的前趋  
关系中就存在着循环。它一方面要求在S3开始执行之前，S2必须完成，另一方面又要求在S2  
开始执行之前，S3必须完成。显然，这种关系是不可能实现的。

> S2→S3，S3→S2

##### 程序的顺序执行 #####

通常，一个应用程序由若干个程序段组成，每一个程序段完成特定的功能，它们在执行时，都需要按照某种先后次序顺序执行，仅当前一程序段执行完后，才运行后一程序段。例如，在进行计算时，应先运行输入程序，用于输入用户的程序和数据；然后运行计算程序，对所输入的数据进行计算；最后才是运行打印程序，打印计算结果。我们用结点(Node)代表各程序段的操作(在上页图中用圆圈表示)，其中I代表输入操作，C代表计算操作，P为打印操作，用箭头指示操作的先后次序。

![6ac206047dbf482bb0ccf23fc4485e03.png][] 这样，上述的三个程序段间就存在着这样的前趋关系：Ii→Ci→Pi，其执行的顺序可用前  
趋图(a)描述。

![acca436b34a341dd9b14256bea034f3d.png][]

即使是一个程序段，也可能存在着执行顺序问题，下面示出了一个包含了三条语句的程序段：  
S1: a :=x+y；  
S2: b :=a-5；  
S3: c :=b+1；  
其中，语句S2必须在语句S1后(即a被赋值)才能执行，语句S3也只能在b被赋值后才能执行，因此，三条语句存在着这样的前趋关系：S1→S2→S3，应按前趋图(b)所示的顺序执行

##### 程序顺序执行的特征 #####

在程序顺序执行时，具有这样三个特征：  
① 顺序性：指处理机严格地按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须在下一个操作开始之前结束；  
② 封闭性：指程序在封闭的环境下运行，即程序运行时独占全机资源，资源的状态(除初始状态外)只有本程序才能改变它，程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响；  
③ 可再现性：指只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走”地执行，都可获得相同的结果。程序顺序执行时的这种特性，为程序员检测和校正程序的错误带来了很大的方便。

##### 程序的并发执行 #####

我们通过一个常见的例子来说明程序的顺序执行和并发执行。已知前述的输入程序、计算程序和打印程序三者之间，存在着Ii→Ci→Pi这样的前趋关系，以至对一个作业的输入、计算和打印三个程序段必须顺序执行。但若是对一批作业进行处理时，每道作业的输入、计算和打印程序段的执行情况如图所示

![648d6445308749799c9189ca0c3164f4.png][]

观察上图可以看出，存在前趋关系Ii→Ci，Ii→Ii+1，Ci→Pi，Ci→Ci+1，Pi→Pi+1，而Ii+1和Ci及Pi-1是重叠的，即在Pi-1和Ci以及Ii+1之间，不存在前趋关系，可以并发执行。  
观察下图可以看出，对于具有下述四条语句的程序段：  
S1: a :=x+2  
S2: b :=y+4  
S3: c :=a+b  
S4: d :=c+b  
可画出如上图的前趋关系。可以看出：S3必须在a和b被赋值后方能执行；S4必须在S3之  
后执行；但S1和S2则可以并发执行，因为它们彼此互不依赖。

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##### 程序的并发执行的特征 #####

在引入了程序间的并发执行功能后，虽然提高了系统的吞吐量和资源利用率，但由于它们共  
享系统资源，以及它们为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间必将  
形成相互制约的关系，由此会给程序并发执行带来新的特征。

> (1) 间断性。  
> (2) 失去封闭性。  
> (3) 不可再现性。

##### 例题解读 #####

> 【2019上系分真题第30题：绿色】  
> 30.前趋图是一个有向无环图，记为→=｛（Pi，Pj）pi完成时间先于Pj开始时间｝。假设系统中进P=｛P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8｝，且进程的前趋图如下：
> 
> ![929ecfe645954463b695639b0bc5feb0.png][]
> 
> A.→=\{（P1，P2），（P1，P3），（P1，P4），（P2，P5），（P3，P2），（P3.P4）.（P3，P6）.（P4，P7），（P5，P8）  
> B.→=\{（P1，P2），（P1，P4），（P2，P3），（P2，P5），（P3，P4），（P3，P6），（P4，P7），（P5，P6），（P6，P8），（P7，P6）\}  
> C.→=\{（P1，P2），（P1，P4），（P2，P5），（P3，P2），（P3，P4），（P3，P6），（P4，P6），（P4，p7），（p6，p8），（p7，P8）\}  
> D.→=\{ P1，P2），（P1，P3），（P2，P4），（P2，P5），（P3，P2），（P3 ，P4），（P3，P5），（P4，P7），（P6，P8），（P7，P8）\}  
> 》  
> A.存在着10个前趋关系，P1为初始结点，P2P4为终止结点  
> B.存在着2个前趋关系，P6为初始结点，P2P4为终止结点  
> C.存在着9个前趋关系，P6为初始结点，P8为终止结点  
> D.存在着10个前趋关系，P1为初始结点，P8为终止结点

> 解答：答案选择B｜D。  
> 前趋图中，箭线代表前趋关系，结点代表进程，本图中P1是起点，P8是终点，一共有10个前趋关系。每个前趋关系可用（结点1，结点2）的形式表示，如：P1到P2之间的前趋关系可用：（P1，P2）表示。

#### 进程的三种基本状态 ####

由于多个进程在并发执行时共享系统资源，致使它们在运行过程中呈现间断性的运行规律，所以进程在其生命周期内可能具有多种状态。一般而言，每一个进程至少应处于以下三种基本状态之一：(1) 就绪(Ready)状态。  
(2) 执行(Running)状态。  
(3) 阻塞(Block)状态。

##### 进程的三种状态之间的转换 #####

进程在运行过程中会经常发生状态的转换。例如，处于就绪状态的进程，在调度程序为之分配了处理机之后便可执行，相应地，其状态就由就绪态转变为执行态；正在执行的进程(当前进程)如果因分配给它的时间片已完而被剥夺处理机暂停执行时，其状态便由执行转为就绪；如果因发生某事件，致使当前进程的执行受阻(例如进程访问某临界资源，而该资源正被其它进程访问时)，使之无法继续执行，则该进程状态将由执行转变为阻塞。图2-5示出了进程的三种基本状态，以及各状态之间的转换关系。

##### 进程的创建状态 #####

进程是由创建而产生。创建一个进程是个很复杂的过程，一般要通过多个步骤才能完成：如首先由进程申请一个空白PCB，并向PCB中填写用于控制和管理进程的信息；然后为该进程分配运行时所必须的资源；最后，把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。但如果进程所需的资源尚不能得到满足，比如系统尚无足够的内存使进程无法装入其中，此时创建工作尚未完成，进程不能被调度运行，于是把此时进程所处的状态称为创建状态。

##### 进程的终止状态 #####

进程的终止也要通过两个步骤：首先，是等待操作系统进行善后处理，最后将其PCB清零，并将PCB空间返还系统。当一个进程到达了自然结束点，或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结，或是被其他有终止权的进程所终结，它将进入终止状态。进入终止态的进程以后不能再执行，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之后，操作系统将删除该进程，即将其PCB清零，并将该空白PCB返还系统。

![12431c8d4b0a4230ba04505843014b21.png][]

#### 挂起操作与进程状态的转换 ####

挂起操作的引入  
引入挂起操作的原因，是基于系统和用户的如下需要：  
(1) 终端用户的需要。  
(2) 父进程请求。  
(3) 负荷调节的需要。  
(4) 操作系统的需要。

引入挂起原语操作后三个进程状态的转换  
在引入挂起原语Suspend和激活原语Active后，在它们的作用下，进程将可能发生以下几种状态的转换：  
(1) 活动就绪→静止就绪。  
(2) 活动阻塞→静止阻塞。  
(3) 静止就绪→活动就绪。  
(4) 静止阻塞→活动阻塞。

引入挂起操作后五个进程状态的转换  
下图（右）增加了创建状态和终止状态后具有挂起状态的进程状态及转换图。  
引进创建和终止状态后，在进程状态转换时，与下图（左）的进程五状态转换相比较，要  
增加考虑下面的几种情况：  
(1) NULL→创建：  
(2) 创建→活动就绪：  
(3) 创建→静止就绪：  
(4) 执行→终止：

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