计算机操作系统原理：进程
在开始编写文章前，有几个问题需要思考一下：
- 进程的由来
- 什么是进程？
- 进程具有哪些状态？
- 进程由哪几部分组成？
1. 进程的由来
多道程序环境下，程序的执行是动态变化的，在系统中处于“走走停停、停停走走”的运行状态。为了使程序能够并发执行，并能够如实反映程序活动的动态特征，操作系统引入了进程，以对并发执行的程序加以控制和描述。计算机系统中 CPU 是以进程为单位进行分配和管理的。
2. 什么是进程？
进程的概念是 20 世纪 60 年代初期，首先由麻省理工学院的 MULTICS 系统 IBM 公司的 CTSS/360 系统中引入并实现的。其后，人们对它不断加以改进，从不同方面对它进行描述。一般而言，进程是指一个具有独立功能的程序在某个数据集上的一次运行过程，它是系统资源分配和调度的基本单位。
进程和程序是两个截然不同的概念，两者的区别如下：
- 程序是静态的，它由用户编写的若干代码的集合，可作为资料长期保存；进程是动态的，它是程序在系统中的一次运行过程。
- 进程和程序并非一一对应，同一个程序可以由多个进程分别执行，这些进程虽然执行相同的程序，但处理不同的数据；同样，一个进程通过程序间的调用方式，会涉及多个程序。
它们之间的关系类似于菜谱和炒菜，其中程序相当于菜谱，而进程就是每一次按照菜谱炒菜的过程。
3. 进程具有哪些状态？
由于共享系统中的资源，因此进程之间相互制约、相互依赖，其整个生命周期呈现为“运行 — 暂停 — 运行”。进程在其生命周期中处于创建、就绪、运行、阻塞、终止这五种状态。
- 创建态：进程正在被创建或刚刚创建完成，但还没有放入就绪队列之前的状态。
- 就绪态：一个进程获得除了 CPU 之外的其他所需资源，一旦获得 CPU 后便可运行的状态。就绪队列是指将系统中所有处于就绪状态的进程，排成一个或多个队列。
- 运行态：进程正在 CPU 上运行的状态。单 CPU 环境中，某个时刻最多只有一个进程处于运行态；而多 CPU 环境中，可能有多个进程同时处于运行态。
- 阻塞态（等待态）：正在运行的进程由于发生某些事件（如输入/输出请求、申请额外资源等）暂时无法继续执行的状态，即进程的运行受到阻塞。阻塞（等待）队列是指将系统中所有处于阻塞的进程，组织成一个或多个队列。
- 终止态：一个进程正常结束或异常终止，但该进程所拥有的资源（如进程控制块 PCB）还未完全被撤销时的状态。
为了更有效地使用系统有限的资源，部分现代操作系统中引入了挂起状态。进程被挂起意味着该进程处于静止状态。此时，若进程正在执行，则将暂停执行；若进程处于就绪状态，则挂起后该进程暂时不接受调度。引入挂起状态主要是基于下列需求：
- 系统需求：系统运转过程中，有时需要挂起某些进程，检查资源的使用情况，以便调整系统负荷，改善系统运行性能；或是系统在出现故障或受到破坏时，需要挂起某些进程，以排查故障。
- 父进程需求：父进程需要考察或修改子进程，或者协调各子进程之间的活动，要求挂起自己的子进程。
- 用户需求：用户在运行期间发现可疑问题时，要求挂起自己的子进程，以便进行某些程序的调试、检查和改正。
- 对换需求：系统为了缓和内存和其他资源的紧张情况，将处于等待状态的进程挂起，并将它们从内存换出到外存，腾出内存空间给其他进程。
引入挂起状态后，若进程被挂起，则处于静止状态；反之，若未被怪，则处于活动状态：
- 创建 —> 活动就绪：系统完成进程创建的必要操作后，在性能和内存容量许可的情况下，将该进程的状态转换为活动就绪状态。
- 创建 —> 静止就绪：系统完成进程创建的必要操作后，若性能和内存容量不允许，则不分配给该进程所需资源，并将该进程存放在外存，其状态转为静止就绪状态。
- 活动就绪 —> 静止就绪：系统使用挂起命令，将（活动）就绪队列中的某些进程挂起，这些进程就处于静止就绪状态，暂时无法被调度执行。
- 活动阻塞 —> 静止阻塞：系统使用挂起命令，将（活动）阻塞队列中的某些进程挂起，这些进程就处于静止阻塞状态，当这些进程在其所期待的事件出现后，则将从静止阻塞变为静止就绪状态。
- 静止就绪 —> 活动就绪：处于静止就绪状态的进程被使用激活命令激活后，将变为活动就绪状态。
- 静止阻塞 —> 活动阻塞：处于静止阻塞状态的进程被使用激活命令激活后，将变为活动阻塞状态。
4. 进程由哪几部分组成？
进程是程序的一次运行过程，它是由程序段、数据段和进程控制块 PCB 组成的一个实体，其中：
- 程序段：对应程序的操作代码部分，用于描述进程所需要完成的功能。
- 数据段：对应程序执行时所需要的数据部分，包括数据，堆栈和工作区。
- 进程控制块：记录了进程运行时所需要的全部信息，它是进程存在的唯一标识，与进程一一对应。
4.1 进程控制块
进程控制块（PCB）是进程实体的重要组成部分，它记录了操作系统所需要的、用于描述进程情况及控制进程所需要的全部信息。原来不能独立运行的程序或数据，通过 PCB 就可以成为一个可以独立运行的基本单位。系统通过 PCB 感知进程的存在，并对其进行有效管理和控制。系统创建一个新进程时，为它建立一个 PCB；当进程结束时，系统又收回其 PCB，该进程也随之消亡。
进程控制块主要包括下述四个方面的信息：
1. 进程标识符信息：用于标识、区分一个进程，通常有外部标识符和内部标识符两类。外部标识符通常是由字母、数字所组成的一个字符串，用户或其他进程访问该进程时使用。内部标识符是操作系统为每个进程赋予的唯一一个整数，是作为内部识别而设置的。
2. 进程调度信息：用于描述与进程调度有关的状态信息，包括进程状态、进程优先权、调度信息和等待事件等。进程状态指明进程当前的状态，作为进程调度和对换时的依据；进程优先权说明进程使用 CPU 的优先级别，其中优先权高的进程将优先获得 CPU；调度信息描述与进程调度算法相关的信息，如进程等待时间、已运行的时间等；等待事件是指进程由运行态转变为阻塞态时所等待发生的事件。
3. CPU 状态信息：用于保留进程运行时 CPU 的各种信息，使得进程暂停运行后，下次重新运行时能从上次停止的地方继续运行。CPU 状态信息通常包含通用寄存器、控制和状态寄存器、用户栈指针等。CPU 状态字记载了程序执行的状态信息，如条件码、外中断屏蔽标识、执行状态（核心态或用户态）标识等。
4. 进程控制信息：包括进程资源、控制机制等一些进程运行时所需要的信息，如：
- 程序和数据地址：该进程的程序和数据所在的内存和外存地址，以便该进程在次运行时，能够找到程序和数据。
- 进程同步和通信机制：实现进程同步和通信时所采用的机制，如消息队列指针、信号量等。
- 资源清单：除 CPU 外，进程所需的全部资源和已经分配到的资源。
- 链接指针：用于指向该进程所在队列的下一个进程的 PCB 首地址。