揭开进程的概念、状态、通信的迷雾。看完瞬间豁然开朗

预备知识

前驱图

程序顺序执行的特征

• 顺序性顺序执行

• 封闭性独占资源

• 可再现性只要程序执行环境和初始条件相同，重复执行时结果都相同

程序并发执行的特征

• 间断性

• 失去封闭性

• 不可再现性因为程序并发执行时，是多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态是由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性。而程序一旦失去了封闭性也会导致其再失去可再现性。执行结果与并发程序的执行速度相关

进程的概念

非正式地说，进程是执行的程序。进程不只是程序代码，程序代码又称为文本段或代码段。进程还包括当前活动（程序计数器的值、处理器寄存器的内容）。通常还包括进程堆栈（临时数据）、数据段（全部变量）。还可能包括堆（进程运行时动态分配的内存）。

进程的特征

• 动态性进程有生命周期，最基本特征。

• 并发性可并发执行；引入进程的目的是为了使其进程实体能和其他进程实体并发执行

• 独立性进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位

• 制约性进程间对资源的争用而相互制约

• 异步性进程按照各自独立的、不可预知的速度向前推进

• 结构特征进程=程序+数据+PCB

进程和程序的比较

进程是程序的一次运行过程，是一个动态实体，而程序是一个指令的集合，是静态实体。进程具有生命周期，具有创建、执行和撤销的过程，而程序一旦创建，可以永远存在 。进程实体由程序段、数据段及进程控制块组成。进程与程序之间不存在一一对应的关系，不同的进程可以对应相同的程序，一个进程中还可以同时调用多个程序。进程实体是一个能独立运行的基本单位，可独立获得资源和独立调度；而程序不能作为独立的单位参加运行。进程可按异步方式运行，程序不是运行实体，所以不可以异步执行。

进程的状态

就绪、运行、等待是三个基本状态。

• 提交状态

• 后备状态

• 就绪状态

• 运行状态

• 等待状态

• 结束状态

进程的挂起/解挂

• 设置挂起/解挂的原因用户需要：中间结果与预期不符。操作系统需要：系统某些功能故障。系统负荷过重 。父进程请求：修改或协调子进程 。对换的需要。

进程控制块(PCB)

PCB 是用以记录与进程相关信息的主存区，是进程存在的唯一标志

具有相同状态进程的 PCB 分别通过 PCB 中的链接字链接成一个队列。

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索引方式

系统根据所有进程状态的不同，建立几张索引表，并把索引表的首地址记录在内存的专用单元中。

Linux PCB 的例子

进程切换/上下文切换

切换 CPU 到另一个进程需要保存当前进程状态和恢复另一个进程的状态，内核会将旧进程状态保存在 PCB 中，并加载调度新的进程。上下文切换的时间是纯粹的开销。有的处理器提供多个寄存器组，上下文切换只需简单改变当前寄存器组的指针（如果活动进程数量超过寄存器组的组数，系统仍要在寄存器和内存之间复制数据）。

进程的创建

进程图

进程图(有向树)与前趋图(有向无环图)的 2 个区别：1、表示的含义不同；2、执行时处理不同：可并发执行

进程创建原语 Creat()

• 申请空白 PCB

• 为新进程分配资源

• 初始化 PCB

• 新进程插入就绪队列

父进程创建子进程

当一个进程创建子进程时，子进程会需要一定的资源。子进程可以直接从操作系统那获得资源，也可以只从父进程那里获得资源子集。父进程可能要在子进程之间分配资源或共享资源。限制父进程只能使用父进程的资源，可以防止创建过多进程，导致系统超载。

• 父与子进程的执行可能父进程和子进程并发执行父进程等待，直到某个或某些子进程执行完毕

• 新进程的地址空间的情况子进程完全复制父进程，拥有同样的程序和数据子进程加载另一个新程序

Unix 举例

• fork()通过系统调用 fork()创建新进程，新进程的地址空间复制了原来进程的地址空间。子进程和父进程都继续执行 fork()调用后的指令。但对于父进程，fork()返回子进程的进程标识。对于子进程，fork()返回 0。

• exec()在调用 fork()后，可以有个进程调用 exec()，用新程序取代进程的地址空间（加载二进制文件到内存），并开始执行。

• wait()父进程创建子进程后，如果无事可做，就调用 wait()把自己移除就绪队列，直到子进程结束，wait()返回(可以获得子进程的标识符、退出状态等信息)，父进程从 wait()的下一条指令开始继续执行。

进程的终止

级联终止

如果一个进程终止，那么它的所有子进程也相应终止，称为级联终止。

僵尸进程

当一个进程终止时，操作系统会释放它的资源，但是位与进程表中的条目还在，直到它的父进程调用 wait()。因为进程表中包含了进程的退出状态，当进程已经终止，但它的父进程还没有调用 wait()时，这样的进程称为僵尸进程。一旦父进程调用 wait()，僵尸进程的进程标识符和进程表中的条目就会被释放。

孤儿进程

如果父进程没有调用 wait()就终止，它的子进程称为孤儿进程。Linux 和 Unix 的做法是，将 init 进程作为孤儿进程的父进程。init 进程定期调用 wait()，以便收集孤儿进程的退出状态，释放孤儿进程的标识符和进程表条目。

进程间通信

操作系统内的并发执行程序可以是独立的，也可以是协作的，若是协作的，那么就需要有一种进程间通信(IPC)的机制。

生产者-消费者问题

进程通信的类型

消息传递对于较小数量的数据交换很有用，因为无需避免冲突。对于分布式系统，消息传递也比共享内存更易实现。共享内存可能快于消息传递，因为消息传递的实现经常采用系统调用，需要消耗更多时间使内核介入。共享内存仅在建立共享内存区域使需要系统调用，建立后所有访问都可作为常规内存访问，无需借助内核。

• 共享存储器

• 消息传递

由操作系统提供机制，利用系统提供的通信原语，以消息或报文为单位进行信息交换。

• 命名

• 间接通信

• 同步

• 缓存

• 管道通信