操作系统之进程的描述：进程状态转换、进程控制块 PCB

程序执行

程序的执行方式有顺序执行和并发执行两种方式。

程序顺序执行

程序顺序执行时特征：

1. 顺序性：处理机严格按照程序所规定的顺序执行。
2. 封闭性：程序在封闭环境下运行，即程序运行时独占全机资源，资源的状态只有本程序才能改变它。程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响。
3. 可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论从头到尾是否有停顿，都可获得相同的结果。
   
   缺点：虽然实现方便，但系统资源的利用率很低。

程序并发执行

前提：只有不存在前趋关系的程序之间才有可能并发执行。

程序并发执行的特征：

1. 间断性：程序并发执行后，程序间共享系统资源。为了完成同一项任务相互合作，致使这些并发执行的程序之间形成了相互制约的关系。例如在执行程序B的程序段2之前，必须先执行程序A的程序段2，此时若程序A的程序段2还未执行，要暂停等待。因此并发程序具有“执行——暂停——执行”的间断性的活动规律。
   
2. 失去封闭性：因为多个程序并发执行，因此系统资源并不是独享的，致使其中任一程序在执行时，其环境都必然会受到其它程序的影响。
3. 不可再现性：无法确定程序的执行顺序，失去了封闭性，因此会导致失去可再现性。即使多次执行时的环境和初始条件相同，得到的结果也可能不一致。

进程的定义

为了能使程序并发执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和控制，人们引入“进程”的概念。

1. 进程是程序的一次执行。
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的的活动。
3. 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程的特征

1. 动态性：进程的实质是进程实体的执行过程。进程实体有一定的生命周期，它由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡。程序只是一组有序的集合，不具有活动的含义，是静态的。
2. 并发性：多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。
3. 独立性：传统OS中，独立性是指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接收调度的基本单位。凡未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行。
4. 异步性：进程按异步方式运行，按各自独立的、不可预知的速度向前推进（具体取决于CPU调度）。

进程基本状态及状态转换

进程三状态

• 就绪状态：进程其他所需资源都准备好了，只要获取CPU就可以立即运行。等待CPU调度的状态。
• 运行状态：进程已获得CPU，处于正在执行的状态。
• 阻塞状态：当进程运行中遇到I/O请求、申请缓冲区失败等无法继续运行，会转为阻塞态。此时会发生进程调度，将当前CPU资源让出给另一个进程。
  

进程五状态

• 新建状态：进程创建的时候涉及很多复杂的过程，如首先进程申请一个空白PCB，然后向PCB中填写用于控制和管理进程的信息，然后为该进程分配运行时除CPU外的资源。只有完成后才会将进程转为就绪状态（将进程插入就绪队列中）。
• 终止状态：进程终止也涉及一系列处理过程。进入终止态的进程以后不能再执行，但在操作系统中依然保留一个记录（状态码、计时统计数据等），供其他进程收集。一旦其他进程完成了对其信息的提取之后，操作系统将删除该进程，即将PCB清零，然后将PCB空间返回系统。

进程七状态

处于挂起状态的进程：都位于外存，且暂不接受调度。

• 就绪挂起状态：考虑到系统当前资源状况和性能的要求，不分配给新建进程所需资源，主要是主存，相应的系统将进程状态转为就绪挂起状态，安置在外存，不参与进程调度，此时进程的创建工作尚未完成。当阻塞挂起状态的进程，期待的事情发生后就会变为就绪挂起状态。
• 阻塞挂起状态： 为了缓和内存紧张的情况，将内存中处于阻塞状态的进程换至外存上。
  

进程控制块 PCB

概述

• 出现的原因：为了使参与并发执行的每个程序（含数据）都能独立地运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构，称之为进程控制块（PCB）。
• 作用：PCB是描述进程基本情况和运行状态，控制和管理进程。
• PCB是进程存在的唯一标志。
• 创建进程 => 创建进程映像中的PCB
  撤销进程 => 撤销进程映像中的PCB

作用

1. 作为独立运行基本单位的标志：系统是通过PCB感知进程的存在，PCB是进程存在的唯一标志。
2. 能实现间断性运行方式：有了PCB，系统就可以将CPU现场信息保存在被中断进程的PCB中，供该进程再次被调度执行时恢复CPU现场时使用。
3. 提供进程管理所需要的信息：在PCB中记录程序和数据在内存或外存中的起始指针，能够找到相应的程序和数据。通过PCB的资源清单能够了解到该进程所需的全部资源，例如文件等。由此可见，OS总是根据PCB实施对进程的控制和管理。
4. 提高进程调度所需要的信息：在PCB中记录可进程处于何种状态，在进行调度的时候，需要查询处于就绪状态的进程才能被调度。此外进程的调度可能还需要知道进程的优先级等信息。
5. 实现与其它进程的同步与通信：在采用信号量机制实现进程同步时，要求在每个进程中都设置有相应的用于同步的信号量。在PCB中还具有用于实现进程通信的区域或通信队列指针等。

进程控制块中的信息

1. 进程标识符：用于唯一地表示一个进程。通常有两种标识符：
   ① 外部标识符：由创建者提供，由数字、字母组成。
   ② 内部标识符：OS为进程设置的唯一的数字标识符，通常是进程的序号。
2. 处理机状态：即处理机的上下文信息，主要由处理机的各种寄存器的内容组成。
   处理机处于执行状态时，正在处理的很多信息都是存放在寄存器中。
   当进程被切换时，处理机状态信息都必须保存在相应的PCB中，以便在该进程重新执行时能再从断点继续执行。
   ① 通用寄存器（用户可视寄存器）：用户程序可以访问，用于暂存信息。
   ② 指令计数器：存放了要访问的下一条指令地址。
   ③ 程序状态字PSW：含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等。
   ④用户栈指针：每个用户进程都有一个或多个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址。栈指针指向栈顶。
3. 进程调度信息：如进程状态、进程优先级、事件（阻塞原因…）、其他信息（已执行时间、已执行时间总和）
4. 进程控制信息：程序和数据的地址（首地址）；进程同步和通信机制（如消息指针、信号量等）；资源清单（列出运行期间进程除CPU外所需全部资源）；链接指针（下一进程PCB首地址）。

进程控制块的组织方式

1. 线性方式：将系统中所有PCB都组织在一张线性表中，将该表的首地址存放在内存的一个专用区域。实现简单，开销小，但每次查找都要扫描整张表。使用进程数目不多的系统。
2. 链接方式：把具有相同状态的进程的PCB分别通过PCB的链接字段连接成一个队列。可以形成如就绪队列、阻塞队列、空白队列等。就绪队列按优先级排序，阻塞队列也可以根据不同的阻塞原因分成多个队列。
3. 索引方式：将前两种结合。系统根据所有进程状态的不同，建立几张索引表，如就绪索引表、阻塞索引表。把索引表的首地址记录在内存的专用单元，在每个索引表的表目中，记录具有相应状态的某个PCB在PCB表中的地址。

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本文为《计算机操作系统》第四版 学习笔记+个人总结。