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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 ）执行这段程序所需要的代码

2 ）执行程序所需要的相关数据

3 ）操作系统管理进程所需要的信息 —— 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作系统如何去控制进程

2. 进程的状态

在看进程的状态之前，先复习一下，进程在系统中如何运作。

操作系统通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，是因为针对单处理器的计算机来说，从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。

为了提高计算机的用户体验，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作的状态，操作系统通过执行一种叫做轮转的方式，为每一个进程分配一个最大运行时间（时间片）造成一种多进程并发执行的状态。

所以，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，其他的进程处于其他状态。

那么进程到底拥有几个状态？

进程的状态会因为不同操作系统的实现不同而略有改变，但最基础的是五种状态：

1.0进程的描述和控制

1. 新建状态：刚刚创建进程，操作系统还没有把它加入到可执行的进程组之中。（也就是，进程虽然创建，但是尚未运行，尚未加入任何队列之中。 —— 队列的概念稍后会提出）

2. 就绪态：进程做好了准备，等待分配处理器。

3. 阻塞态：进程在某些事件发生之前不能执行：如 IO 操作

4. 运行态：该进程获得了时间片，拥有控制处理器的权利，正在运行相关程序。

5. 退出：操作系统从可运行进程组中释放进程，或者他自身的原因停止了，或者因为某些原因取消。

解释：

为什么会有阻塞状态？

因为计算机存在着个各个部位运行速度的不均衡，处理器的运算速度常常是 IO 设备的上千倍上万倍，有些 IO 设备的速度尤其慢比如打印机。如果某些进程需要使用 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，在这期间处理器完全没有工作，这就造成了计算机资源的浪费。因此，操作系统实现了一种阻塞机制，当一个进程需要用到 IO 等耗时的工作时，进程阻塞。在 IO 完成时会产生一个 IO 中断，告诉操作系统，这个事件已经完成，刚才那个或者那些需要等待的任务可以继续进行了，操作系统会根据分派器决定哪一个进程将会继续执行。

进程如何开始？

通常有 4 个事件会导致创建一个进程。

1）新的批处理作业

2）交互登陆

3）操作系统因为提供一项服务创建

4）由现有的进程派生

进程如何终止的？

有很多行为都能造成系统的终止，进程在任何状态下都能被终止。

终止的原意可能是，交互系统下用户的终止，也可能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 -> 就绪状态的转换原因。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) 重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。

1.0进程的描述和控制

什么是队列？

队列是操作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，并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，操作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，一个真正的操作系统阻塞队列中常常有很大量的阻塞进程，这样会导致效率十分的低下。

所以，一般来说，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，还有一类状态叫做挂起态。挂起态并不是一个状态，而是一对。首先解释一下什么叫挂起态。

挂起态的产生还是因为计算机资源的不足，计算机内存是一种昂贵的资源，内存大小的发展速度完全跟不上程序常驻内存大小的发展速度，所以这就极大地限制了同时能够运行的进程的数量。而且，计算机 IO 的速度比起 CPU 计算的速度还是太慢，在某个时间点，队列中可能完全没有就绪状态的进程，全部都在等待 IO 。因此操作系统常常加入一个挂起态，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 操作，当内存中所有的进程都处于阻塞状态时，操作系统可以把其中一个进程置于挂起状态，将其内存占用转移到磁盘，内存释放的空间可以被调入另一个进程使用。

接着思考挂起的问题，当内存拥有足够的空间，这时候可以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。但是挂起状态的进程在挂起前是阻塞的，如何判断他现在可否执行呢？因此要为挂起态的进程再进行细分，以确定被挂起的进程是否是就绪的。这样就诞生了 2*2 = 4 种不同的状态

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可以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重新回到就绪状态运行。

这里所说的挂起状态的转化，是在简化了操作系统实际的转化过程之后总结的。

在实际的操作系统中，是否挂起还考虑到优先级问题，如果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。

如果这个过程中涉及到虚拟内存，设计的话会更加复杂，留作以后讨论。