什么是進(jìn)程

在給進(jìn)程下定義前，先考慮以下幾個(gè)概念：

1. 一個(gè)計(jì)算機(jī)平臺(tái)包括一組硬件資源：比如處理器、內(nèi)存、I/O 模塊、定時(shí)器和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。
2. 計(jì)算機(jī)程序是為執(zhí)行某些任務(wù)而開(kāi)發(fā)的。典型情況下，它們接受外來(lái)的輸入，做一些處理后，輸出結(jié)果。
3. 直接根據(jù)給定的硬件平臺(tái)寫(xiě)應(yīng)用程序效率是低下的
4. 開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)是為了給應(yīng)用程序提供一個(gè)方便、安全和一直的接口。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件和應(yīng)用程序直接的一層軟件，對(duì)應(yīng)用程序和工具提供了支持。
5. 可以把操作系統(tǒng)想象為資源的統(tǒng)一抽象表示，可以被應(yīng)用程序請(qǐng)求和訪(fǎng)問(wèn)。資源包括內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)接口和文件系統(tǒng)等。

有了上述概念，現(xiàn)在就可以討論操作系統(tǒng)怎樣以一個(gè)有序的方式管理應(yīng)用程序的執(zhí)行，以達(dá)到以下目的：

• 資源對(duì)多個(gè)應(yīng)用程序是可用的
• 物理處理器在多個(gè)應(yīng)用程序間切換以保證所有程序都在執(zhí)行中
• 處理器和 I/O 設(shè)備能得到充分的利用

現(xiàn)代操作系統(tǒng)采用的方法都是依據(jù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程存在的應(yīng)用程序執(zhí)行的一種模型。

關(guān)于進(jìn)程有很多定義：

• 一個(gè)正在執(zhí)行的程序
• 計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序的一個(gè)實(shí)例
• 可以分配給處理器并由處理器執(zhí)行的一個(gè)實(shí)體
• 由單一的順序的執(zhí)行線(xiàn)程、一個(gè)當(dāng)前狀態(tài)和一組相關(guān)的系統(tǒng)資源所描述的活動(dòng)單元

進(jìn)程狀態(tài)

一個(gè)被執(zhí)行的程序，操作系統(tǒng)會(huì)為該程序創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程或任務(wù)，并且控制進(jìn)程的執(zhí)行。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，程序只有兩種狀態(tài)：運(yùn)行態(tài)、未運(yùn)行態(tài)。

兩狀態(tài)進(jìn)程模型

• 當(dāng)操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程時(shí)，它將該進(jìn)程以未運(yùn)行態(tài)加入到系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)知道進(jìn)程的存在，并等待執(zhí)行機(jī)會(huì)。
• 當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程不時(shí)中斷，操作系統(tǒng)的分派器將選擇一個(gè)新進(jìn)程運(yùn)行。
• 前一個(gè)進(jìn)程從運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)換到未運(yùn)行態(tài)，另一個(gè)從未運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行態(tài)。

同時(shí)，未運(yùn)行的進(jìn)程需保持在某種類(lèi)型的隊(duì)列中，并等待它們的執(zhí)行時(shí)機(jī)。

上圖中的排隊(duì)圖可以描述分派器的行為：被中斷的進(jìn)程轉(zhuǎn)移到等待進(jìn)程隊(duì)列中，或者，如果進(jìn)程以及結(jié)束或取消，則被銷(xiāo)毀。在任何一種情況下，分派器均從隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行。

通過(guò)這個(gè)模型，可以看出操作系統(tǒng)需要用某種方式來(lái)表示每個(gè)進(jìn)程，使得操作系統(tǒng)能夠跟蹤它，也就是說(shuō)需要有一些與進(jìn)程相關(guān)的信息，包括進(jìn)程在內(nèi)存中的狀態(tài)和位置，即進(jìn)程控制塊。

進(jìn)程控制塊

進(jìn)程在任意時(shí)間都可以唯一地被表征為以下元素：

簡(jiǎn)化的進(jìn)程控制塊

• 標(biāo)識(shí)符：存儲(chǔ)在進(jìn)程控制塊中的數(shù)字標(biāo)識(shí)符，包括（次進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符-進(jìn)程 ID，父進(jìn)程標(biāo)識(shí)符，用戶(hù)標(biāo)識(shí)符-用戶(hù) ID）
• 狀態(tài)：進(jìn)程狀態(tài)（如運(yùn)行態(tài)，就緒態(tài)，等待態(tài)等）
• 優(yōu)先級(jí)：用于描述進(jìn)程調(diào)度優(yōu)先級(jí)的一個(gè)或多個(gè)域。
• 程序計(jì)數(shù)器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址
• 內(nèi)存指針：包括程序代碼和進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進(jìn)程共享內(nèi)存塊的指針
• 上下文數(shù)據(jù)：進(jìn)程執(zhí)行時(shí)處理器的寄存器的數(shù)據(jù)
• I/O 狀態(tài)信息：包括顯示的 I/O 請(qǐng)求、分配給進(jìn)程的 I/O 設(shè)備和被進(jìn)程使用的文件列表等
• 記賬信息：可能包括處理器時(shí)間總和、使用的時(shí)鐘數(shù)總和、時(shí)間限制、記賬號(hào)等。

這些信息被存放在一個(gè)叫進(jìn)程控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，它由操作系統(tǒng)創(chuàng)建和管理。進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志，也就是說(shuō)任何一個(gè)進(jìn)程只要進(jìn)程創(chuàng)建了它就一定有一個(gè)跟它相對(duì)應(yīng)的進(jìn)程控制塊，進(jìn)程結(jié)束了進(jìn)程控制塊就會(huì)被操作系統(tǒng)回收，進(jìn)程在執(zhí)行的過(guò)程對(duì)進(jìn)程的所有操作都是通過(guò)進(jìn)程控制塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

進(jìn)程創(chuàng)建和終止

進(jìn)程除運(yùn)行和未運(yùn)行外，在進(jìn)程的生命周期中，創(chuàng)建和終止都是不可避免的。

進(jìn)程創(chuàng)建

通常有4個(gè)事件會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程：

1. 新的批量作業(yè)
2. 交互登錄。終端用戶(hù)登錄到系統(tǒng)
3. 操作系統(tǒng)因?yàn)樘峁┮豁?xiàng)服務(wù)而創(chuàng)建。操作系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，代表用戶(hù)程序執(zhí)行一個(gè)功能，使用戶(hù)無(wú)需等待。
4. 由現(xiàn)有進(jìn)程派生?；谀K化的考慮，或者為了開(kāi)發(fā)并行性，用戶(hù)程序可以指示創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程。

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程派生另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，前一個(gè)稱(chēng)為父進(jìn)程，被派生的被稱(chēng)為子進(jìn)程。

一旦操作系統(tǒng)決定創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，它就會(huì)按以下步驟進(jìn)行：

1. 給新進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。
2. 給進(jìn)程分配空間。
3. 初始化進(jìn)程控制塊。
4. 設(shè)置正確的連接。（例如，如果操作系統(tǒng)把每個(gè)調(diào)度隊(duì)列都保存成鏈表，則新進(jìn)程必須放置在就緒或就緒/掛起鏈表中）。
5. 創(chuàng)建或擴(kuò)充其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)程終止

有很多事件可以導(dǎo)致進(jìn)程終止，比如：

1. 進(jìn)程完成
2. 進(jìn)程超時(shí)。進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間超過(guò)規(guī)定的時(shí)限
3. 無(wú)可用內(nèi)存
4. I/O 失敗
5. 算術(shù)錯(cuò)誤
6. 無(wú)效指令
7. 父進(jìn)程終止
8. 父進(jìn)程請(qǐng)求
9. 。。。

五狀態(tài)模型

系統(tǒng)中還存在著一些處于非運(yùn)行狀態(tài)但已經(jīng)就緒等待執(zhí)行的進(jìn)程，而且還存在另一些處于阻塞狀態(tài)等待 I/O 操作結(jié)束的進(jìn)程。

這時(shí)，就緒態(tài)(ready)和阻塞態(tài)(blocked)出現(xiàn)了，兩狀態(tài)模型升級(jí)為了5狀態(tài)模型，5個(gè)狀態(tài)如下：

五狀態(tài)進(jìn)程模型

• 運(yùn)行態(tài)：該進(jìn)程正在執(zhí)行
• 就緒態(tài)：進(jìn)程做好了準(zhǔn)備，等待處理器調(diào)度
• 阻塞/等待態(tài)：進(jìn)程在某些事件發(fā)生前不能執(zhí)行，比如 I/O 操作完成
• 新建態(tài)：剛剛創(chuàng)建的進(jìn)程，操作系統(tǒng)還沒(méi)有把它加入到可執(zhí)行進(jìn)程組中。通常是進(jìn)程控制塊已經(jīng)創(chuàng)建但還沒(méi)有被加載到內(nèi)存中。
• 退出態(tài)：操作系統(tǒng)從可執(zhí)行進(jìn)程組中釋放出的進(jìn)程，或者是因?yàn)樗陨硗Ｖ沽?，或者是因?yàn)槟撤N原因被取消。

新建-就緒: 操作系統(tǒng)準(zhǔn)備好再接納一個(gè)進(jìn)程時(shí)，把一個(gè)進(jìn)程從新建態(tài)轉(zhuǎn)換到就緒態(tài)。大多數(shù)系統(tǒng)基于心有的進(jìn)程數(shù)或分配給現(xiàn)有進(jìn)程的虛擬內(nèi)存數(shù)量設(shè)置一些限制，以確保不會(huì)因?yàn)榛钴S進(jìn)程數(shù)量過(guò)多而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降。

就緒-退出: 在某些系統(tǒng)中，父進(jìn)程可以在任何時(shí)候終止一個(gè)子進(jìn)程。如果一個(gè)父進(jìn)程終止，與該父進(jìn)程相關(guān)的所有子進(jìn)程都將被終止。

掛起

就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)和阻塞態(tài)提供了一種為進(jìn)程行為建立模型的系統(tǒng)方法，但有個(gè)問(wèn)題需要考慮：每個(gè)被執(zhí)行的進(jìn)程必須完全載入內(nèi)存，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在等待 I/O 操作時(shí)，處理器可以轉(zhuǎn)移到另一個(gè)進(jìn)程，但 I/O 活動(dòng)比CPU 計(jì)算速度慢很多，因此大多數(shù)情況下處理器在多數(shù)時(shí)候都是空閑的。但是如果內(nèi)存中都是阻塞態(tài)的進(jìn)程怎么辦呢？

• 一種辦法就是擴(kuò)充內(nèi)存已適應(yīng)更多的進(jìn)程
• 另一種方案是把進(jìn)程中的某個(gè)內(nèi)存的一部分或者全部移到磁盤(pán)中。當(dāng)內(nèi)存中沒(méi)有處于就緒態(tài)的進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)就把被阻塞的進(jìn)程換出到磁盤(pán)中的掛起隊(duì)列，這是暫時(shí)保存從內(nèi)存中被驅(qū)逐出的進(jìn)程隊(duì)列，或者說(shuō)是被掛起的進(jìn)程隊(duì)列。操作系統(tǒng)在此之后取出掛起隊(duì)列中的另一個(gè)進(jìn)程，或者接受一個(gè)新進(jìn)程的請(qǐng)求，將其納入內(nèi)存運(yùn)行。

有掛起態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

這里有兩個(gè)獨(dú)立的概念：進(jìn)程是否在等待一個(gè)事件（阻塞與否）以及進(jìn)程是否已經(jīng)被換出內(nèi)存（掛起與否）。這里需要4個(gè)狀態(tài)：

• 就緒態(tài)：進(jìn)程在內(nèi)存中并可以執(zhí)行
• 阻塞態(tài)：進(jìn)程在內(nèi)存中并等待一個(gè)事件
• 阻塞/掛起態(tài)：進(jìn)程在外存中并等待一個(gè)事件
• 就緒/掛起態(tài)：進(jìn)程在外存中，但是只要被載入內(nèi)存就可以執(zhí)行

現(xiàn)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下：

阻塞-阻塞/掛起：如果沒(méi)有就緒進(jìn)程，則至少一個(gè)阻塞進(jìn)程被換出，為另一個(gè)沒(méi)有阻塞的進(jìn)程讓出空間

阻塞/掛起-就緒/掛起：如果等待事件發(fā)生了，比如 I/O 不再阻塞，則處于阻塞/掛起 狀態(tài)的進(jìn)程可以轉(zhuǎn)換到 就緒/掛起狀態(tài)。

阻塞/掛起-阻塞：比如一個(gè)進(jìn)程終止了，釋放了一些內(nèi)存空間，阻塞/掛起隊(duì)列中有一個(gè)進(jìn)程比 就緒/掛起隊(duì)列中的任何任何進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)都要高，并且操作系統(tǒng)有理由相信阻塞進(jìn)程的時(shí)間很快就會(huì)發(fā)生，這時(shí)，把阻塞進(jìn)程而不是就緒進(jìn)程調(diào)入內(nèi)存是合理的。

進(jìn)程控制

大多數(shù)處理器至少支持兩種執(zhí)行模式，某些指令只能在特權(quán)態(tài)下運(yùn)行，包括讀取或改變諸如程序狀態(tài)之類(lèi)控制寄存器的指令，原始 I/O 指令和與內(nèi)存管理相關(guān)的指令。另外有部分內(nèi)存區(qū)域僅在特權(quán)態(tài)下可以被訪(fǎng)問(wèn)到。

特權(quán)態(tài)：特權(quán)態(tài)可稱(chēng)做系統(tǒng)態(tài)、控制態(tài)或內(nèi)核態(tài)，內(nèi)核態(tài)指的是操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

用戶(hù)態(tài)：用戶(hù)程序常在該模式下運(yùn)行

兩種模式可以保護(hù)操作系統(tǒng)和重要的操作系統(tǒng)表不受用戶(hù)程序的干涉。

操作系統(tǒng)內(nèi)核的典型功能：

操作系統(tǒng)內(nèi)核的典型功能

進(jìn)程切換

從表面看，進(jìn)程切換非常簡(jiǎn)單。在某一時(shí)刻，操作系統(tǒng)中斷正在運(yùn)行的進(jìn)程，然后指定另一個(gè)進(jìn)程為運(yùn)行態(tài)，并把控制權(quán)交給這個(gè)進(jìn)程。但是現(xiàn)在會(huì)有幾個(gè)問(wèn)題：

• 什么事件觸發(fā)進(jìn)程切換
• 模式切換和進(jìn)程切換的區(qū)別
• 進(jìn)程切換時(shí)，操作系統(tǒng)要做哪些工作

何時(shí)切換進(jìn)程？

進(jìn)程切換可以在操作系統(tǒng)從當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程中獲得控制權(quán)的任何時(shí)刻發(fā)生。以下是可能把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)的事件：

進(jìn)程執(zhí)行的中斷機(jī)制

系統(tǒng)中斷通常分為兩種，一種是中斷，另一種是陷阱。

中斷與當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程無(wú)關(guān)的某種類(lèi)型的外部事件相關(guān)，比如 I/O 操作；陷阱與當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程鎖產(chǎn)生的錯(cuò)誤或異常條件相關(guān)，比如非法的文件訪(fǎng)問(wèn)。

以下是一些常見(jiàn)的中斷事件：

• 時(shí)鐘中斷：操作系統(tǒng)確認(rèn)當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了最大允許時(shí)間段（時(shí)間片：即進(jìn)程在被中斷前可以執(zhí)行的最大時(shí)間段），進(jìn)程必須切換到就緒態(tài)，調(diào)入另一個(gè)進(jìn)程。
• I/O 中斷：進(jìn)程等待 I/O 活動(dòng)。
• 內(nèi)存失效：處理器訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)虛擬內(nèi)存地址，且次地址單元不在內(nèi)存中，操作系統(tǒng)必須從外存中把包含這個(gè)引用的內(nèi)存塊調(diào)入內(nèi)存中。在發(fā)出調(diào)入內(nèi)存塊的 I/O 請(qǐng)求之后，操作系統(tǒng)可能會(huì)執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程切換，以恢復(fù)另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行，發(fā)生內(nèi)存失效的進(jìn)程被置為阻塞態(tài)，當(dāng)前的塊調(diào)入內(nèi)存中時(shí)，該進(jìn)程被置為就緒態(tài)。

對(duì)于陷阱,操作系統(tǒng)首先確認(rèn)錯(cuò)誤或者異常是否是致命的。如果是，當(dāng)前進(jìn)程被轉(zhuǎn)換到退出態(tài)；如果不是，操作系統(tǒng)的動(dòng)作取決于錯(cuò)誤的種類(lèi)和操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（有可能是視圖恢復(fù)或通知用戶(hù)）。

操作系統(tǒng)也可能被來(lái)自正在執(zhí)行的程序的系統(tǒng)調(diào)用激活，比如打開(kāi)文件，通常，使用系統(tǒng)調(diào)用會(huì)導(dǎo)致把當(dāng)前進(jìn)程置為阻塞態(tài)

系統(tǒng)調(diào)用

Unix 系統(tǒng)是由用戶(hù)空間（userland）和內(nèi)核組成。Unix 內(nèi)核位于計(jì)算機(jī)硬件之上，是與搖籃嗎交互的中介。這些交互包括通過(guò)問(wèn)卷系統(tǒng)進(jìn)程讀/寫(xiě)、在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)、分配內(nèi)存，以及通過(guò)揚(yáng)聲器播放音頻。這些都是用戶(hù)應(yīng)用程序所不能涉及的，只能通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成。

系統(tǒng)調(diào)用為內(nèi)核和用戶(hù)空間搭建了橋梁。規(guī)定了程序和計(jì)算機(jī)硬件直接所允許發(fā)生的一切交互。

模式切換和進(jìn)程切換是不同的。發(fā)生模式切換可以不改變正處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程的狀態(tài)，而進(jìn)程被轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)操作系統(tǒng)必須使其環(huán)境產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的變化。

進(jìn)程切換步驟如下：

1. 保存處理器上下文環(huán)境，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器
2. 更新當(dāng)前處于運(yùn)行態(tài)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊
3. 將進(jìn)程的進(jìn)程控制塊移到相應(yīng)的隊(duì)列（就緒、掛起等）
4. 選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行
5. 更新所選擇進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，包括將進(jìn)程的狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行態(tài)
6. 更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
7. 恢復(fù)處理器在被選擇的進(jìn)程最近一次切換出運(yùn)行態(tài)時(shí)的上下文環(huán)境。

下一篇將介紹 Unix 進(jìn)程

參考

• 《操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理》