1.0进程的描述和控制

1.什么是进程

在计算机中，进程就是一段程序的执行。

进程包括：

1）执行这段程序所须要的代码 

2）执行程序所须要的相关数据

3）操做系统管理进程所须要的信息——进程控制块

 

ok了解了进程的基本概念，接下来就要去了解进程的具体组成结构和操做系统如何去控制进程

2.进程的状态

在看进程的状态以前，先复习一下，进程在系统中如何运做。

操做系统经过一种分时机制实现多进程的并发执行。这里用到了并发这个词而不是并行，是由于针对单处理器的计算机来讲，历来就不会有并行状态发生，一个处理器同一时间内只能处理一段代码，也只能完成某一个任务，是不可能实现任务的并行执行的。

为了提升计算机的用户体验，也为了合理的利用计算机资源，让CPU在最大限度下处于一直工做的状态，操做系统经过执行一种叫作轮转的方式，为每个进程分配一个最大运行时间（时间片）形成一种多进程并发执行的状态。

因此，在某一个时间点上，看似同时在运行的多个进程，只有一个，或几个（多处理器）进程在运行，其余的进程处于其余状态。

那么进程到底拥有几个状态？

进程的状态会由于不一样操做系统的实现不一样而略有改变，但最基础的是五种状态：

 

1.新建状态：刚刚建立进程，操做系统尚未把它加入到可执行的进程组之中。（也就是，进程虽然建立，可是还没有运行，还没有加入任何队列之中。——队列的概念稍后会提出）

2.就绪态：进程作好了准备，等待分配处理器。

3.阻塞态：进程在某些事件发生以前不能执行：如IO操做

4.运行态：该进程得到了时间片，拥有控制处理器的权利，正在运行相关程序。

5.退出：操做系统从可运行进程组中释放进程，或者他自身的缘由中止了，或者由于某些缘由取消。

解释：

为何会有阻塞状态？

由于计算机存在着个各个部位运行速度的不均衡，处理器的运算速度经常是IO设备的上千倍上万倍，有些IO设备的速度尤为慢好比打印机。若是某些进程须要使用IO设备的返回结果，那么处理器必须等待IO设备完成任务，并返回执行结果，在这期间处理器彻底没有工做，这就形成了计算机资源的浪费。所以，操做系统实现了一种阻塞机制，当一个进程须要用到IO等耗时的工做时， 进程阻塞。在IO完成时会产生一个IO中断，告诉操做系统，这个事件已经完成，刚才那个或者那些须要等待的任务能够继续进行了，操做系统会根据分派器决定哪个进程将会继续执行。

进程如何开始？

一般有4个事件会致使建立一个进程。

1）新的批处理做业

2）交互登录

3）操做系统由于提供一项服务建立

4）由现有的进程派生

进程如何终止的？

有不少行为都能形成系统的终止，进程在任何状态下都能被终止。

终止的原意多是，交互系统下用户的终止，也多是自身产生的错误或者硬件产生的错误。

什么是抢占？

抢占这术语被定义为收回一个进程正在使用的资源。这是一种可能发生的运行->就绪状态的转换缘由。当阻塞队列中拥有一个优先级高于当前执行的进程，当阻塞事件发生，高优先级进程恢复到可运行状态，就有可能抢占运行进程的资源，让当前进程变成就绪状态。

线程执行轨迹

中断发生后程序计数器(PC)从新赋值程中断处理程序,中断处理程序会委托分派器决定接下来执行的进程。

 

什么是队列？

队列是操做系统维护进程执行的数据结构，使用FIFO的结构保存即将执行的任务。

最基础的队列由一个就绪队列和一个阻塞队列组成，当一个进程的时间片用尽且没有阻塞的话会被插入就绪队列，而且从就绪队列中取出一个新的进程进行运行。当一个进程被阻塞，会被放入阻塞队列。这样有一个很明显的缺点，当发生一个阻塞事件，操做系统会扫描整个阻塞队列，将等待这个事件的进程放入就绪队列，一个真正的操做系统阻塞队列中经常有很大量的阻塞进程，这样会致使效率十分的低下。

因此，通常来讲，等待一个事件的阻塞进程放入单独的队列之中,当事件发生,整个队列放入就绪队列之中。

同理，多优先级也会维持多优先级队列以方便管理。

除了刚才说过的五种进程状态，还有一类状态叫作挂起态。挂起态并非一个状态，而是一对。首先解释一下什么叫挂起态。

 

 

挂起态的产生仍是由于计算机资源的不足，计算机内存是一种昂贵的资源，内存大小的发展速度彻底跟不上程序常驻内存大小的发展速度，因此这就极大地限制了同时可以运行的进程的数量。并且，计算机IO的速度比起CPU计算的速度仍是太慢，在某个时间点，队列中可能彻底没有就绪状态的进程，所有都在等待IO。所以操做系统经常加入一个挂起态，用来“驱逐”等待IO的进程，提供足够的空闲内存供更多进程使用。

这里涉及到一个交换的概念。交换是一个IO操做，当内存中全部的进程都处于阻塞状态时，操做系统能够把其中一个进程置于挂起状态，将其内存占用转移到磁盘，内存释放的空间能够被调入另外一个进程使用。

 

接着思考挂起的问题，当内存拥有足够的空间，这时候能够选择开启一个新的进程或者从挂起状态的进程中选择一个用来运行。可是挂起状态的进程在挂起前是阻塞的，如何判断他如今能否执行呢？所以要为挂起态的进程再进行细分，以肯定被挂起的进程是不是就绪的。这样就诞生了2*2 = 4种不一样的状态

就绪态

阻塞态

挂起阻塞态

挂起就绪态

 

当一个阻塞事件发生，等待此事件的阻塞进程从阻塞队列进入就绪队列，等待此事件的阻塞挂起进程进入就绪挂起状态。当内存中拥有足够的空间能够容纳一个新的进程时，就绪挂起状态的某一个进程就有可能从新回到就绪状态运行。

 

这里所说的挂起状态的转化，是在简化了操做系统实际的转化过程以后总结的。

在实际的操做系统中，是否挂起还考虑到优先级问题，若是就绪挂起队列某进程中拥有比就绪队列中更高的优先级，那么就绪队列中也有可能会有进程被交换到挂起状态，以供更高优先级的进程继续执行。

若是这个过程当中涉及到虚拟内存，设计的话会更加复杂，留做之后讨论。

 

3.进程的管理

在学习进程的管理以前要了解一下操做系统为了管理进程维护管理的资源

操做系统维护着4中不一样的表：

内存：用于追踪内存和外存。内存表包括如下信息：

1.分配给进程的内存

2.分配给进程的外存

3.内存块或者虚拟内存块的任何保护属性。

4.管理虚拟内存所须要的任何信息

IO：IO表管理的计算机系统中的IO设备和通道

文件：提供文件是否存在，文件在外存中的位置

进程表 剩余部分将讨论的就是进程表。

 

操做系统要对进程进行管理，首先要知道进程的位置，再者要知道管理时所须要的进程属性。

一个进程的物理组成是程序、数据、栈、属性所占用的内存。这些元素组成了进程映像。

 

进程属性有能够细分为一下三类：

进程标识信息：用于标识一个进程的属性，包括（惟一标识符、父进程标识符、用户标识符）

处理器状态信息：用于进程切换的时候保存运行时处理器状态的属性。

进程控制信息：控制和协调各类活动须要的额外信息。

 

进程控制块被一个统一的处理例程访问，目的是控制对进程控制块的访问，以保护进程控制块。

 

执行模式

大多数操做系统至少支持两种执行模式，有些指令只能在特权模式下执行，有些内存区域也只能在特权模式下才能访问到。

非特权态常被称做用户态，特权态被称做系统态或者内核态。

使用不一样执行状态的缘由是为了保护系统，不让用户去执行特定的可能影响系统的指令。

 

处理器如何判断当前是什么执行模式？

PSW程序状态字（处理器的一部分）中有一位表示执行模式，当用户调用一个系统服务或者中断处于发了系统例程的执行时，执行模式设置成内核态，返回时会被设置成用户态。

 

进程的建立

1.给进程分配一个惟一进程标识符

2.给进程分配空间

3.初始化进程控制块

4.设置正确的连接。将新的进程放入正确的调度队列之中。

5.建立或者扩充其余数据结构

 

进程的切换

分析一下进程的切换，进程的切换在宏观上（相对宏观）就是操做系统指定另外一个进程为运行态，而且把控制权交给这个进程。但这会引起不少新的问题：

1.何时切换进程？

2.模式切换和进程切换有什么区别和联系？

3.切换一个进程必须对数据结构作些什么？

 

本片为文章剩下的部分就是解决这几个问题

什么时候切换进程？

简单点说，只要操做系统有控制权，就能切换进程。

操做系统会在如下时间从正在运行的进程中获取控制权：

1.中断 常见中断（时钟中断（时间片用尽），IO中断（IO完成），内存失效（缺页，和IO同理，至于什么叫缺页，虚拟内存会涉及到这个名词））

2.陷阱：正在执行的进程所发生的错误

3.系统调用：显式的请求

 

模式切换

若是存在一个未处理的中断，会发生如下的工做

1.把程序计数器置成中断处理程序开始的地址

2.从用户态切换到内核态，使得中断处理代码能够包含特权指令。此时，被中断的进程上下文保存在被中断程序的进程控制块中。

 

进程切换

很明显，进程转换和模式转换不一样，模式切换能够不改变正在运行的进程状态，在这种状况下保存和恢复上下文环境只须要不多的开销，但若是当前正在运行的进程转换成另外一个状态，则操做系统必须使其环境发生实质的变化。

完整的切换过程以下：

1.保存处理器上下文环境

2.更新当前处于运行态的进程控制块，将其状态改变到另外一状态。

3.将进程移动至相关队列

4.选择另外一个进程

5.更新所选择进程的控制块，将其状态变成运行态。

6.更新内存管理的数据结构

7.恢复被选择进程的处理器状态。