【操作系统③】

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同样的，每一个新产生的东西的优点，都是为了优化上一个整体的缺点。

上一篇文章地址链接：【操作系统②】——操作系统的发展与分类、操作系统的结构设计【分时操作系统 整体式 层次式 】. 下一篇文章地址链接：【操作系统④】——进程控制【原语 Linux进程创建 阻塞和唤醒 撤销 挂起和激活】.

  ◆ 进程是为了描述程序在并发执行时对系统资源的共享，所需的一个 描述程序执行时动态特征 的概念。   ◆ 进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运动活动，是系统进行资源分配、调度和保护的独立单位。

  ◆ 系统进程：操作系统的模块在操作系统执行的时候，它所演化出来的一种进程。常常是一些操作系统的服务进程。

  ◆ 用户进程：在用户的应用程序运行的时候，系统为这个应用程序创建的进程。

  ◆ 结构性：进程是由进程控制块、程序、数据和栈这几个部件构成，它有一个结构性的特征，有几个部分组合而成。

  ◆ 共享性：对系统中资源的共享性。即在一个系统中，进程可以共享系统中的种种资源。包括内存、其他的IO设备等。共享有 分时、分空间 共享这两种特征。

  ◆ 动态性：进程可以从无到有地创建出来、再运行、然后结束，它即有这样一个动态特征。

  ◆ 独立性：多个进程在系统中并发地运行，他们之间不仅在时间上，也在空间上是相互独立的，大家轮流使用CPU。

  ◆ 制约性：有一些进程彼此之间有制约关系，比如有些进程在竞争资源的时候。

  ◆ 并发性：在多道程序的环境下面，多个进程在系统中并发地运行。(体现了一种宏观上并行，微观上串行的特征)

  ① 进程能真实地描述并发，而程序不能。(因为程序本质上是由代码构成的，代码无所谓并发还是不并发)

  ② 进程是由程序、数据和控制块组成。

  ③ 程序是静态的，进程是动态的。(因为程序本质上是由代码构成的)

  ④ 进程有生命周期，程序是相对长久的。(因为程序是保存在硬盘上的)

  ⑤ 一个程序可对应多个进程，一个进程也可以由多个程序构成。(前者比如登录多个QQ，后者比如开启直播软件)

  ⑥ 进程具有创建其他进程的功能，但程序没有。

  ◆ 运行态(Runing)：进程当前占有CPU，并在在CPU上运行。

  ◆ 就绪态(Ready)：① 一个进程已经具备运行条件，但没有分配CPU，暂时不能运行。②当调度给该进程CPU时，立即可以运行。

  ◆ 等待态(Blocked)：① 有时也叫作 “阻塞态、封锁态、睡眠态” 。② 当前进程因等待某事件的发生而暂时不能运行的状态。③ 即使这时CPU空闲，该进程也不能运行。

  ◆ 就绪 一一> 运行：在调度程序时，一旦调度到这个进程的时候，就发生这件事(这个进程就由就绪态切换到了运行态)。

  ◆ 运行 一一> 就绪：运行进程用完了CPU分给它的时间片时发生。

  ◆ 运行 一一> 等待：发生情况有： ① 操作系统尚未完成某项服务。② 这个进程对某项资源的访问不能得到满足。③ 初始化I/O且须等待结果。④ 等待某一进程提供输入。

  ◆ 等待 一一> 就绪：等待的事件得到满足时发生。

  为什么需要新建态呢？   因为就绪态也是需要一个过程，才能达到这样的状态。比如当用户启动一个应用程序，系统为它创建了一个进程。在进程创建的过程中，该进程所需要资源并没有得到满足的时候，这时候就有一个类似于过渡的状态。我们一般就把这种状态叫做新建态。

  为什么需要终止态呢？   只有增加了这种状态，才能最终对进程整个生命周期进行一个收尾。

  ◆ 无 一一> 新建态：创建子进程

  ◆ 新建态 一一> 就绪态：系统完成进程创建操作，且当前系统的性能和内存的容量均允许。

  ◆ 运行态 一一> 终止态：进程到达自然结束后自动终结，或出现了无法克服的错误所猝s，或被操作系统所终结，或被其他有终止权的进程所终结。

  ◆ 终止态 一一> NULL：完成善后操作

  ◆ 就绪态 一一> 终止态：父进程/操作系统 强行地终结 处于就绪态的子进程

  ◆ 等待态 一一> 终止态：父进程/操作系统 强行地终结 处于终止态的子进程

  ◆ 新增的两个状态为：就绪挂起态、等待挂起态。

  为什么需要挂起态呢？理由如下：   ① 进程在不断创建时，系统资源已不再能满足进程所运行的要求。   ② 某些进程挂起，会对换到磁盘镜像区中，暂时不参与进程调度，这样可以平滑操作系统的负荷。   (关键原因：内存空间有限，若现在系统不得不腾出一部分空间来给当前需要的进程使用，而系统中一部分进程就得先“挂起”，让出资源。)

  ◆ 进程控制块 (Process Control Block，PCB) 是系统为了管理进程而设置的专门的数据结构，用来记录进程的外部特征，描述进程的变化过程。

  ◆ 系统利用 PCB 来控制和管理里面的所有进程，PCB是系统感知进程存在的唯一标志。

  ◆ 进程与 PCB 一 一 对应。即一个进程只有一个PCB，一个PCB也只对应一个进程。

  打个比方：如果把一个操作系统比作“人类社会”，那进程和PCB就像 “人” 和 “身份证” 一样。我们每个人都有一张身份证，身份证上面就有我们个人的基本描述信息(姓名、出生日期、身份证号码等等)。只不过 “人” 的生命周期比系统中的进程长一点，人可以活几十岁。在一个操作系统中，进程只有唯一的标志即PCB，那在 “人类社会”，我们被公安叔叔所认可的在狭义上也只有身份证。

  ① 进程的描述信息：     [1] 进程标识符 (process ID)：具有唯一性，通常是一串整数。(就像我们身份证上面的身份证号码，是唯一的)。     [2] 进程名：通常是执行的文件名，不唯一(就像身份证上的姓名)。     [3] 用户标识符 (user ID)：记录下这个进程是由哪一个用户所创建的。     [4] 进程的组关系：它有多种表现形式，比如说记录同一个用户创建的进程可以算成一组，记录的就是这样一组关系。

  如上图所示，打开任务管理器，右击“内存”那一栏，可以看到这些 “进程的描述信息”。其中 PID 就是 进程标识符 (process ID)、“发布者”就是用户标识符 (user ID)。

  ② 进程的控制信息：     [1] 当前状态：进程当前所处的状态。     [2] 优先级：进程会定一些优先级，比如说系统进程的优先级一般要高于用户进程。(就像军人优先、有项目实战经验优先考虑等)     [3] 代码执行的入口地址     [4] 程序的外存地址     [5] 运行统计信息     [6] 进程同步和通信的信息     [7] 阻塞的原因     [8] 进程的队列指针信息     [9] 进程的消息队列指针信息

  ③ 所拥有的资源和使用情况：     [1] 虚拟地址空间的现状(即这个进程所在逻辑空间的一个状况)     [2] 打开的文件列表

  ④ CPU现场保护信息：     [1] 寄存器值(通用、程序计数器PC、状态PSW，地址包括栈指针)     [2] 指向赋予该进程的 段表/页表 的指针 (会在后面操作系统存储的部分内容具体来讲)

  ◆ 系统把PCB组织在一起，放在内存中，构成PCB表。

  ◆ PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的进程个数，称为系统的并发度。

  ◆ 组织方式：①就绪队列。②等待队列(也叫作阻塞队列)。如下图所示

  注：图中的创建态即新建态。

  ◆ 进程由进程控制块、进程程序、进程数据和栈这几个部分有机地构成在一起。

  ◆ 进程控制块PCB(进程属性)在内存中处于核心段(一般由系统内核直接控制)。用户进程不能直接访问、修改自身的PCB。

  ◆ 进程上下文 = 进程本身 + 运行环境 。它是对进程执行活动全过程的静态描述。具体而言，它由进程的用户地址空间内容、硬件寄存器内容及该进程相关的核心数据所构成。

  ◆ 进程上下文还可以分成三个部分：     ① 寄存器级上下文(主要是进程和CPU相关的内容)：PSW寄存器、处理器状态寄存器、栈指针、通用寄存器的值。     ② 系统级上下文(操作系统内核所直接管理的内存内容)：静态部分——PCB和资源表格、动态部分——核心栈(核心过程的栈结构，不同进程在调用相同核心过程时有不同核心栈)     ③ 用户级上下文：进程的用户地址空间，包括用户正文段、用户数据段和用户栈。

  ① 先保存被中断进程的处理器现场信息。

  ② 再修改被中断进程的进程控制块的有关信息，如进程状态等。

  ③ 然后把被中断进程的进程控制块加入到有关队列中。

  ④ 接着选择下一个占有处理器运行的进程。

  ⑤ 再修改被选中进程的进程控制块的有关信息。

  ⑥ 然后根据被选中进程，来设置操作系统用到的地址转换和存储保护信息。

  ⑦ 最后根据被选中的进程恢复处理器现场。

[1] 《王道计算机考研 操作系统》 看视频可能快一些，但深刻理解还是需要文字和沉淀 链接: https://www.bilibili.com/video/BV1YE411D7nH?p=2.

[2] 《操作系统A》 我们上课用的慕课 链接: https://www.icourse163.org/course/NJUPT-1003219004?from=searchPage.

[3] 《操作系统教程》 我们上课用的教材

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未完待续… ⭐️ ⭐️