2.1进程的相关概念和知识_2.进程的概念

2.1.1 进程的定义、组织、组织方式、特征

本节主要内容
    1.定义，在计算机发展史上，“进程”是为了解决什么问题而被引入的？
    2.组成，每个进程有哪些部分组成？
    3.组织方式，系统中各个进程之间是如何被组织起来的？
    4.特征，相比于程序，进程有那些特征？
    
1.进程的定义：
    程序就是一个指令序列
    引入多道程序技术后，为了方便操作系统管理，完成各程序并发执行，引入进程、进程实体的概念。
        系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置）
    PCB、程序段、数据段三部分构成了进程实体（进程映像）
    一般情况下，我们把进程实体简称为进程。
    例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB
    从不同角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有：
    1.进程是程序的一次执行过程
    2.进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时发生的活动
    3.进程是具有独立功能的程序在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
    引入进程实体的概念后，可把进程定义为：
        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一个独立单位。
    注：严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。
        不过，除非题目专门考察二者区别，否则认为进程实体就是进程。
        因此我们也可以说“进程由程序段、数据段、PCB三部分组成”
2.进程的组成
    进程（进程实体）由程序段、数据段、PCB三部分组成
    1.操作系统通过PCB来管理进程，因此PCB中应该包含操作系统对其进行管理所需的各种信息。
        进程的管理者（操作系统）所需要的数据都在PCB中，而程序本身所需的数据存放在程序段和数据段中
        PCB包含四种信息
        1.进程描述信息
            1.进程标识符PID
                当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID，
                用于区分不同的进程（类似于身份证号）
            2.用户标识符UID
        2.进程控制和管理信息
            1.进程当前状态
            2.进程优先级
        3.资源分配清单
            1.程序段指针
            2.数据段指针
            3.键盘
            4.鼠标
        4.处理机相关信息
            1.各种寄存器值
                当进程切换时，需要把进程当前的运行情况记录下来保存到PCB中，
                如：程序计数器的值（PC）表示了当前程序执行到哪一句。
    2.程序段存放程序代码
    3.数据段存放程序运行时使用、产生的运算数据。
        如全局变量、局部变量、宏定义的常量就存放在数据段中
3.进程的组织方式
    进程的组成是讨论多个进程之间的组织方式问题
    1.连接方式
        按照进程状态将PCB分为多个队列
        操作系统持有指向各个队列的指针
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    2.索引方式
        根据进程状态的不同，建立几张索引表
        操作系统持有指向各个索引表的指针
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4.进程的特征
    1.动态性：动态性是进程最基本的特征
        进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
    2.并发性：内存中有多个进程实体，各个进程可并发执行
    3.独立性：进程是资源分配、接受调度的基本单位
        进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位
    4.异步性：异步性会导致并发程序执行结果的不确定性。详见“进程同步”
        各个进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，
            操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题
    5.结构性
        每个进程会配置一个PCB。结构上看：进程=程序段+数据段+PCB
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2.1.2 进程的状态和转换

本节主要内容：
    1.进程的状态
        1.运行状态
        2.就绪状态
        3.阻塞状态
        4.创建状态
        5.终止状态
        其中运行状态、就绪状态、阻塞状态是三种基本状态
    2.进程状态间的转换
        1.就绪态-->运行态
        2.运行态-->就绪态
        3.运行态-->阻塞态
        4.阻塞态-->就绪态

1.进程的状态--三种基本状态 
    1.运行态（Running）
        占有CPU，并行在CPU上运行
        注意：单核处理机环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行态。
            双核环境下可以同时有两个进程处于运行态。
    2.就绪态（Ready）
        已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
        进程已经拥有除了处理机之外所有需要的资源，一旦获得处理机即可立即进入运行态开始运行。
            即：万事俱备，只欠CPU
    3.阻塞态（Waiting/Blocked，又称：等待态）
        因等待每一事件而暂时不能运行
        如：等待操作系统分配打印机、等待读磁盘操作的结果。
        CPU是计算机中最昂贵的部件，为了提高CPU的利用率，
            需要先将其他进程需要的资源分配到位，才能得到CPU的服务
2.进程的状态--另外两种状态
    1.创建态（New，又称：新建态）
        进程正在被创建，操作系统位进程分配资源，初始化PCB
    2.终止态（Terminated，又称：结束态）
        进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB
3.进程状态的转换
    运行态-->阻塞态是一种进程自身做出的主动行为
    阻塞态-->就绪态是不受进程自身能控制的，是一种被动行为
    注意：不能由阻塞态直接转化为运行态，也不能由就绪态直接转换为阻塞态
        因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求
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2.1.3 进程控制

本节主要内容
    1.基本概念
        1.什么是进程控制
        2.如何实现进程控制？
            用“原语”实现
    2.进程控制相关的原语
        1.进程的创建
        2.进程的终止
        3.进程的阻塞
        4.进程的唤醒
        5.进程的切换
        
1.进程控制的基本概念
    1.什么是进程控制？
        进程控制就是要实现进程状态转换
    2.如何实现进程控制？
        1.进程转化过程
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        2.使用“原语”
            用“原语”实现进程控制
            原语的特点是：执行期间不允许中断，只能一气呵成
            这种不可被中断的操作即原子操作
            原语采用“关中断指令”和“开中断”指令实现
            显然，关/开中断的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令
            原语运行在核心态
2.进程控制相关的原语
    进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做到的无非三类事情。
        0.找到对应进程的PCB
        1.更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB，从PCB恢复运行环境）   
            1.所有进程控制原语一定都会修改进程状态标志
            2.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
            3.某进程开始运行前必然要恢复其运行环境
        2.将PCB插入合适的队列
        3.分配/回收资源
    1.进程的创建
        1.创建原语
            用来实现：无-->创建态-->就绪态
            1.申请空白PCB
            2.为新进程分配所需资源
            3.初始化PCB
            4.将PCB插入就绪队列
        2.引起进程创建的时间
            1.用户登录
                分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新的进程
            2.作业调度
                多道批处理系统中，由新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
            3.提供服务
                用户向操作系统提出某些去请求时，会建立一个进程处理该请求
            4.应用请求
                由用户进程主动请求创建一个子进程
    2.进程的终止
        1.撤消原语
            用来实现：就绪态/阻塞态/运行态-->终止态-->无
            1.从PCB集合中找到终止进程的PCB
            2.若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
            3.终止其所有子进程
            4.将该进程的所有资源归还给父进程或操作系统
            5.删除PCB
        2.引起进程终止的事件
            1.正常结束
            2.异常结束
            3.外界干预
    3.进程的阻塞
        1.阻塞原语
            用来实现：运行态-->阻塞态
            1.找到要阻塞的进程对应的PCB
            2.保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态”，暂时停止进程运行
            3.将PCB插入相应事件的等待队列
        2.引起进程阻塞的事件
            1.需要等待系统分配某种资源
            2.需要等待相互合作的其他进程完成工作
    4.进程的唤醒
        1.唤醒原语
            用来实现：阻塞态-->就绪态
            1.在事件等待队列中找到PCB
            2.将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
            3.将PCB插入就绪队列，等待被调度
        2.引起进程唤醒的事件
            等待的事件发生
    阻塞原语和唤醒原语必须成对使用，因何事阻塞就应由何事唤醒
    5.进程的切换
        1.切换原语
            用于实现：一个进程的运行态-->阻塞态/就绪态，
                    另一个进程的就绪态-->运行态
            1.将运行环境信息存入PCB
            2.PCB移入相应的队列
            3.选择另一个进程执行，并更新其PCB
            4.根据PCB恢复新进程所需的运行环境
        2.引起进程切换的事件
            1.当前进程时间片到
            2.有更高优先级的进程到达
            3.当期那进程主动阻塞
            4.当前进程终止
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