进程的基本概念

如题所述

一、进程的引入
多道程序系统中,程序具有:并行、制约以及动态的特征。程序概念难以便是和反映系统中的情况:

1. 程序是一个静态的概念
程序是完成某个功能的指令集和。系统实际上是出于不断变化的状态中,程序不能反映这种动态性。

2. 程序概念不能反映系统中的并行特性
例如:两个C语言源程序由一个编译程序完成编译,若用程序概念理解,内存中只有一个编译程序运行(两个源程序看作编译程序的输入数据),但是这样无法说明白内存中运行着两个任务。程序的概念不能表示这种并行情况,反映不了他们活动的规律和状态变化。就像不能用菜谱(程序)代替炒菜(程序执行的过程)一样(这句话我稍微修改了一下,感觉应该是这样表诉才对)。

二、进程的定义
进程:一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度运行的基本单位。

三、进程与程序的差别
1. 进程是一个动态的概念

进程是程序的一次执行过程,是动态概念。

程序是一组有序的指令集和,是静态概念。

2. 不同的进程可以执行同一个程序

区分进程的条件:所执行的程序和数据集合。

两个进程即使执行在相同的程序上,只要他们运行在不同的数据集合上,他们也是两个进程。例如:多个用户同时调用同一个编译程序编译他们编写的C语言源程序,由于编译程序运行在不同的数据集合(不同的C语言源程序)上,于是产生了一个个不同的进程。

3. 每个进程都有自己的生命周期

当操作系统要完成某个任务时,它会创建一个进程。当进程完成任务之后,系统就会撤销这个进程,收回它所占用的资源。从创建到撤销的时间段就是进程的生命期。

4. 进程之间存在并发性

在一个系统中,同时会存在多个进程。他们轮流占用CPU和各种资源。

5. 进程间会相互制约

进程是系统中资源分配和运行调度的单位,在对资源的共享和竞争中,必然相互制约,影响各自向前推进的速度。

6. 进程可以创建子进程,程序不能创建子程序

7. 从结构上讲,每个进程都由程序、数据和一个进程控制块(Process Control Block, PCB)组成

四、进程的重要特征
1. 动态特征:进程对应于程序的运行,动态产生、消亡,在其生命周期中进程也是动态的。

2. 并发特征:任何进程都可以同其他进程一起向前推进。

3. 独立特征:进程是相对完整的调度单位,可以获得CPU,参与并发执行。

4. 交往特征:一个进程在执行过程中可与其他进程产生直接或间接关系。

5. 异步特征:每个进程都以相对独立、不可预知的速度向前推进。

6. 结构特征:每个进程都有一个PCB作为他的数据结构。

进程最基本的特征是并发和共享特征。

五、进程的状态与转换
1. 进程的三种基本状态
a. 运行状态:获得CPU的进程处于此状态,对应的程序在CPU上运行着。

b. 阻塞状态:为了等待某个外部事件的发生(如等待I/O操作的完成,等待另一个进程发来消息),暂时无法运行。也成为等待状态。

c. 就绪状态:具备了一切运行需要的条件,由于其他进程占用CPU而暂时无法运行。

2. 进程状态转换
a. 运行状态 ===> 阻塞状态:例如正在运行的进程提出I/O请求,由运行状态转化为阻塞状态。

b. 阻塞状态 ===> 就绪状态:例如I/O操作完成之后,由阻塞状态转化为就绪状态。

c. 就绪状态 ===> 运行状态:例如就绪状态的进程被进程调度程序选中,分配到CPU中运行,由就绪状态转化为运行状态。

d. 运行状态 ===> 就绪状态:处于运行状态的进程的时间片用完,不得不让出uCPU,由运行状态转化为就绪状态。

3. 进程的类型
a. 系统进程:操作系统用来管理资源的进程,当系统进程处于运行态时,CPU处于管态,系统之间的关系由操作系统负责。

b. 用户进程:操作系统可以独立执行的的用户程序段,当用户进程处于运行态时,CPU处于目态,用户进程之间的关系由用户负责。

六、进程控制块
1. 进程的三个组成部分
a. 程序

b. 数据

c. 进程控制块(PCB):为了管理和控制进程,系统在创建每个进程时,都为其开辟一个专用的存储区,用以记录它在系统中的动态特性。系统根据存储区的信息对进程实施控制管理。进程任务完成后,系统收回该存储区,进程随之消亡,这一存储区就是进程控制块。

PCB随着进程的创建而建立,撤销而消亡。系统根据PCB感知一个进程的存在,PCB是进程存在的唯一物理标识(这一点可以类比作业控制块JCB)。

2. 进程控制块的内容
PCB在不同的语言中,可能用不同的数据结构表示。为了系统管理和控制进程方便,系统常常将所有进程的PCB存放在内存中系统表格区(这是什么区?不懂,待我仔细查查),并按照进程内部标号由小到大顺序存放。

整个系统中各进程的的PCB集合可用数组表示。这时进程内部标号可以与数组元素下标联系。

各系统预留的PCB空间往往是固定的,如UNIX系统中规定进程数量不超过50个(这一点我有点怀疑)。

操作系统不同,PCB的格式、大小及内容也不尽相同。一般的,应该包含如下四个信息。

a. 标识信息:进程名。

b. 说明信息:进程状态、程序存放位置。

c. 现场信息:通用寄存器内存、控制寄存器内存、断点地址。

d. 管理信息:进程优先数、队列指针。

七、进程控制块的组织
系统中,有着许多不同状态的进程,处于阻塞状态的进程阻塞原因各不相同,为了便于调度和管理,常将进程控制块PCB用适当的方法组织起来。

1. 线性结构
把所有不同状态的进程的PCB组织在一个表格中。

最简单,适用于进程数目不多的操作系统,如UNIX系统,缺点是调用时,往往需要查询整个PCB表,时间复杂度略高。

2. 索引结构
分别把具有不同状态的进程PCB组织在同一个表中,于是有就绪进程表、运行进程表(多机系统中,还有现在的多核系统应该也有吧)以及各种等待事件的阻塞进程表。

系统中的一些固定单元分别指出各表的起始地址。

3. 链式结构
采用队列形式时,每个进程的PCB中要增加一个链指针表项,指向队列的下一个PCB起始地址。
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