操作系统 进程篇之基本概念、状态和状态转换

前言

本文梳理进程的概念、状态和状态转换等知识。

进程的定义、组成、组织方式和特征

进程的定义

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体(进程映像)。一般而言，我们把进程实体就简称为进程。
创建进程实际上是创建进程实体中的PCB；
撤销进程实际上是撤销进程实体中的PCB；
PCB：进程控制块，用来描述进程的各种信息(如程序代码存放位置)，它是进程存在的唯一标志。

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配的一个独立单位，进程内运行的线程是CPU调度的基本单位。

进程的组成

• 程序段
  存放要执行的程序代码

• 数据段
  存放程序运行过程中处理的各种数据，如全局变量、局部变量、宏定义的常量等

• PCB(操作系统操作进程时的对象)

  • 进程描述信息：进程标识符PID、用户标识符UID
  • 进程控制和管理信息：进程当前状态、进程优先级
  • 资源分配清单：程序段指针、数据段指针、键盘、鼠标
  • 处理机相关信息：各种寄存器值(当进程切换时需要把进程当前的运算情况记录下来保存在PCB中，如程序计数器的值(表示当前程序执行到哪一句了))

进程的组织

进程的组成是指一个进程内部由哪些部分构成；
进程的组织是指多个进程，即多个PCB之间的组织方式；

进程的组织分为链接方式和索引方式。

• 链接方式：按照进程状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针。
  

• 索引方式：根据进程状态的不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针。
  

进程的特征

• 动态性：
  进程是程序的一次执行过程，是动态的产生、变化和消亡的

• 并发性：
  内存中有多个进程实体，各进程可并发执行

• 独立性：
  进程是能独立运行、独立获得资源、建立接受调度的基本单位
  进程是资源分配、接受CPU调度的基本单位

• 异步性：
  各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供进程同步机制来解决异步问题

• 结构性：
  每个进程都会分配一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成

进程的状态与转换

进程的状态

• 创建态New
  进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、创建PCB

• 就绪态Ready
  已经具备运行条件，但由于没有获取到CPU时间片，而暂时不能运行；

• 运行态Running
  占有CPU，并在CPU上运行；单核CPU每一时刻最多只有一个进程处于运行态，多核CPU可以有多个进程处于运行态。

• 阻塞态Waiting/Blocked
  因等待某一时间而暂时不能运行；

• 终止态Terminated
  进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB

进程状态的转换

引入挂起态

挂起态的引入将进程状态模型由五状态模型到七状态模型。

引入虚拟存储技术后，暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）。

• 就绪态 <–> 挂起态
  一个处于就绪态的进程因为内存不足可以被系统调出到外存上，即进入挂起态；
  一直到内存空间空闲，且它又具备了运行条件，就会被激活，调入内存中，进入就绪态。

• 阻塞态 <–> 挂起态
  相应的，阻塞状态的进程和挂起态也能互相转换；

• 运行态 -> 挂起态
  处于运行态的进程也可以被调度到挂起态，但挂起态的进行不能直接转化为运行态。

• 创建态 -> 挂起态

• 进程被创建，也有可能因为资源不足而被调入到外存上挂起。

• 阻塞挂起 -> 就绪挂起
  被阻塞挂起的进程，因为被阻塞状态的恢复，可以直接到就绪挂起的状态。

• 就绪挂起和阻塞挂起的区别
  这两种状态都是不能获得CPU时间片的，但就绪挂起是将进程映像调到外存去了；而阻塞挂起时进程映像还在内存中。

操作系统如何实现进程状态转换

基本概念

• 进程控制就是要实现进程状态的转换。

• 如何实现进程控制，进程控制用原语来实现。
  原语执行具有原子性，原语采用关中断指令和开中断指令实现。
  原语是在操作系统内核中实现，运行在核心态。
  

• 开/关中断指令，它们都是特权指令
  

进程控制相关原语

• 进程控制原语基本功能：

1. 更新PCB中的信息：修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB中恢复运行环境
2. 将PCB插入合适的队列
3. 分配/回收资源

• 创建原语：无-> 创建态 -> 就绪态
  引起进程创建的条件：用户登录、作业调度、提供服务、应用请求

  1. 申请空白PCB
  2. 为进程分配所需资源
  3. 初始化PCB
  4. 将PCB插入就绪队列。

• 撤销原语：就绪态/阻塞态/运行态 -> 终止态 -> 无
  引起进程终止的条件：正常结束、异常结束、外界干预

  1. 从PCB集合中找到终止进程的PCB
  2. 若进程正在运行，立即剥夺CPU使用权，将CPU分配给其他进程
  3. 终止其所有子进程
  4. 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
  5. 删除PCB

• 阻塞原语：运行态->阻塞态
  引起进程阻塞的条件：需要等待系统分配某种资源、需要等待相互合作的其它进程完成工作

  1. 找到要阻塞的进程对应的PCB
  2. 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为阻塞态，暂时停止进程运行
  3. 将PCB插入相应事件的等待队列

• 唤醒原语：阻塞态->就绪态
  引起进程唤醒的事件：等待的事件发生

  1. 在事件等待队列中找到PCB
  2. 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
  3. 将PCB插入就绪队列，等待被调度

• 阻塞原语和唤醒原语必须成对使用，Monitor机制，因何事阻塞，必须由何事唤醒

• 切换原语：运行态->阻塞态/就绪态、就绪态->运行态
  引起进程切换的事件：当前进程时间片到、有更高优先级的进程到达、当前进程主动阻塞、当前进程终止

  1. 将运行环境信息存入PCB
  2. PCB移入相应队列
  3. 选择另一个进程执行，并更新其PCB
  4. 根据PCB恢复新进程所需的运行环境