操作系统进程知识总结-技术圈

来源：SegmentFault 思否社区

作者：byte

进程

我们编写的代码只是一个存储在硬盘的静态文件，通过编译后就会生成二进制可执行文件，当我们运行这个可执行文件后，它会被装载到内存中，接着 CPU 会执行程序中的每一条指令，那么这个运行中的程序，就被称为「进程」。

现在我们考虑有一个会读取硬盘文件数据的程序被执行了，那么当运行到读取文件的指令时，就会去从硬盘读取数据，但是硬盘的读写速度是非常慢的，那么在这个时候，如果 CPU 傻傻的等硬盘返回数据的话，那 CPU 的利用率是非常低的。

当进程要从硬盘读取数据时，CPU 不需要阻塞等待数据的返回，而是去执行另外的进程。当硬盘数据返回时，CPU 会收到个中断，于是 CPU 再继续运行这个进程。

这种多个程序、交替执行的思想，就有 CPU 管理多个进程的初步想法。

对于一个支持多进程的系统，CPU 会从一个进程快速切换至另一个进程，其间每个进程各运行几十或几百个毫秒。

虽然单核的 CPU 在某一个瞬间，只能运行一个进程。但在 1 秒钟期间，它可能会运行多个进程，这样就产生并行的错觉，实际上这是并发

进程的状态

进程有着「运行 - 暂停 - 运行」的活动规律。一般说来，一个进程并不是自始至终连续不停地运行的，它与并发执行中的其他进程的执行是相互制约的。

它有时处于运行状态，有时又由于某种原因而暂停运行处于等待状态，当使它暂停的原因消失后，它又进入准备运行状态。

所以，在一个进程的活动期间至少具备三种基本状态，即运行状态、就绪状态、阻塞状态。

上图中各个状态的意义：

运行状态（_Runing_）：该时刻进程占用 CPU；
就绪状态（_Ready_）：可运行，但因为其他进程正在运行而暂停停止；
阻塞状态（_Blocked_）：该进程正在等待某一事件发生（如等待输入/输出操作的完成）而暂时停止运行，这时，即使给它CPU控制权，它也无法运行；

当然，进程另外两个基本状态：

创建状态（_new_）：进程正在被创建时的状态；
结束状态（_Exit_）：进程正在从系统中消失时的状态；

于是，一个完整的进程状态的变迁如下图：

_NULL -> 创建状态_：一个新进程被创建时的第一个状态；
_创建状态 -> 就绪状态_：当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变为就绪状态，这个过程是很快的；
_就绪态 -> 运行状态_：处于就绪状态的进程被操作系统的进程调度器选中后，就分配给 CPU 正式运行该进程；
_运行状态 -> 结束状态_：当进程已经运行完成或出错时，会被操作系统作结束状态处理；
_运行状态 -> 就绪状态_：处于运行状态的进程在运行过程中，由于分配给它的运行时间片用完，操作系统会把该进程变为就绪态，接着从就绪态选中另外一个进程运行；
_运行状态 -> 阻塞状态_：当进程请求某个事件且必须等待时，例如请求 I/O 事件；
_阻塞状态 -> 就绪状态_：当进程要等待的事件完成时，它从阻塞状态变到就绪状态；

挂起状态概念挂起进程在操作系统中可以定义为暂时被淘汰出内存的进程，机器的资源是有限的，在资源不足的情况下，操作系统对在内存中的程序进行合理的安排，其中有的进程被暂时调离出内存，当条件允许的时候，会被操作系统再次调回内存，重新进入等待被执行的状态即就绪态

进程的控制结构

在操作系统中，是用进程控制块（_process control block，PCB_）数据结构来描述进程的。

PCB 是进程存在的唯一标识，这意味着一个进程的存在，必然会有一个 PCB，如果进程消失了，那么 PCB 也会随之消失

PCB包含：

进程状态：状态可以包括新的、就绪、运行、等待、停止等。
程序计数器：计数器表示进程将要执行的下个指令的地址。
CPU 寄存器：根据计算机体系结构的不同，寄存器的类型和数量也会不同。它们包括累加器、索引寄存器、堆栈指针、通用寄存器和其他条件码信息寄存器。在发生中断时，这些状态信息与程序计数器一起需要保存，以便进程以后能正确地继续执行。
CPU 调度信息：这类信息包括进程优先级、调度队列的指针和其他调度参数。
内存管理信息：根据操作系统使用的内存系统，这类信息可以包括基地址和界限寄存器的值、页表或段表。
记账信息：这类信息包括 CPU 时间、实际使用时间、时间期限、记账数据、作业或进程数量等。
I/O 状态信息：这类信息包括分配给进程的 I/O 设备列表、打开文件列表等。

PCB组织方式

通常是通过链表的方式进行组织，把具有相同状态的进程链在一起，组成各种队列。比如：

将所有处于就绪状态的进程链在一起，称为就绪队列；
把所有因等待某事件而处于等待状态的进程链在一起就组成各种阻塞队列；
另外，对于运行队列在单核 CPU 系统中则只有一个运行指针了，因为单核 CPU 在某个时间，只能运行一个程序。

那么，就绪队列和阻塞队列链表的组织形式如下图：

创建进程

操作系统允许一个进程创建另一个进程，而且允许子进程继承父进程所拥有的资源，当子进程被终止时，其在父进程处继承的资源应当还给父进程。同时，终止父进程时同时也会终止其所有的子进程。

创建进程的过程如下：

为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的 PCB，PCB 是有限的，若申请失败则创建失败；
为进程分配资源，此处如果资源不足，进程就会进入等待状态，以等待资源；
初始化 PCB；
如果进程的调度队列能够接纳新进程，那就将进程插入到就绪队列，等待被调度运行；

终止进程

进程可以有 3 种终止方式：正常结束、异常结束以及外界干预（信号 kill 掉）。

终止进程的过程如下：

查找需要终止的进程的 PCB；
如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
如果其还有子进程，则应将其所有子进程终止；
将该进程所拥有的全部资源都归还给父进程或操作系统；
将其从 PCB 所在队列中删除；

阻塞进程

当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用阻塞语句把自己阻塞等待。而一旦被阻塞等待，它只能由另一个进程唤醒。

阻塞进程的过程如下：

找到将要被阻塞进程标识号对应的 PCB；
如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行；
将该 PCB 插入的阻塞队列中去；

唤醒进程

进程由「运行」转变为「阻塞」状态是由于进程必须等待某一事件的完成，所以处于阻塞状态的进程是绝对不可能叫醒自己的。

如果某进程正在等待 I/O 事件，需由别的进程发消息给它，则只有当该进程所期待的事件出现时，才由发现者进程用唤醒语句叫醒它。

唤醒进程的过程如下：

在该事件的阻塞队列中找到相应进程的 PCB；
将其从阻塞队列中移出，并置其状态为就绪状态；
把该 PCB 插入到就绪队列中，等待调度程序调度；

进程的阻塞和唤醒是一对功能相反的语句，如果某个进程调用了阻塞语句，则必有一个与之对应的唤醒语句。

进程上下文切换

进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。

所以，进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。

通常，会把交换的信息保存在进程的 PCB，当要运行另外一个进程的时候，我们需要从这个进程的 PCB 取出上下文，然后恢复到 CPU 中，这使得这个进程可以继续执行，如下图所示：

进程上下文切换的场景

为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行；
进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行；
当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度；
当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行；
发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序；

参考文章:

https://mp.weixin.qq.com/s/wn8w14Bkf99zbxcGQr30Zg

http://c.biancheng.net/view/1202.html

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