进程

进程的概念、组成与特征

程序是静态的，是一个存放在磁盘里的可执行文件，是一系列的指令集合。
进程是动态的，是程序的一次执行过程，同一个程序多次执行会对应多个进程。

当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的识别号——PID（Process ID，进程ID）。

进程控制块（Process Control Block，PCB）是进程存在的唯一标志。当进程被创建时，操作系统为其创建 PCB，当进程结束时，操作系统会回收相应的 PCB。操作系统对进程进行管理工作所需的信息都存储在了 PCB 中。

PCB 由以下几个部分组成：

• 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
  • CPU、磁盘、网络流量使用情况统计…
  • 进程当前状态（就绪态、阻塞态、运行态…）
• 资源分配清单
  • 正在使用哪些文件
  • 正在使用哪些内存区域
  • 正在使用哪些 I/O 设备
• 处理机相关信息
  • 如 PSW、PC 等各种寄存器的值（用于实现进程切换）

进程由以下几个部分组成：

• PCB
• 程序段
  • 程序的代码（指令序列）
• 数据段
  • 运行过程中产生的各种数据（如程序中定义的变量）

PCB 是给操作系统用的，而程序段和数据段是给进程自己用的，与进程自身的运行逻辑有关。

进程是动态的，而进程实体（进程映像）是静态的，可以理解成进程实体是进程在运行过程中的一个快照。因此，上述进程的组成更准确的说是进程实体（进程映像）的组成。

进程定义：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

如果我们同时打开三个 QQ 聊天软件，则会对于三个 QQ 进程，它们的 PCB、数据段各不相同，但程序段的内容都是相同的（都运行着相同的 QQ 程序）。

进程的特征：

• 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的；动态性是进程最基本的特征
• 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、独立接受调度的基本单位
• 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；异步性会导致并发程序执行结果的不确定性
• 结构性：每个进程都会配置一个 PCB；每个进程都由 PCB、程序段、数据段组成

进程的状态与转换

当终止进程的工作完成后，这个进程就彻底消失了。

进程的组织——链接方式，如下所示：

进程控制

进程控制的主要作用是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

正常情况下，CPU 每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。

关中断指令和开中断指令是特权指令，只能在内核中使用。

无论哪个进程控制原语，要做的无非就是三个事情：

1. 更新 PCB 中的信息
   • 修改进程状态（state）
   • 保存/恢复运行环境
2. 将 PCB 插入合适的队列
3. 分配/回收资源

进程通信

进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）和进程内通信（Intra-Process Communication）是两种不同的通信方式，用于实现不同作用域内的数据交换和信息传递。

• 进程间通信：

  • 进程间通信指的是不同进程之间进行数据交换和信息传递的过程。在多进程环境中，不同的进程可能需要共享数据、协作完成任务或者互相通知。常见的进程间通信方式包括管道、共享内存、消息队列、套接字等。这些通信方式允许不同的进程之间进行数据传输和通信，从而实现协作和数据共享。

• 进程内通信：

  • 进程内通信指的是同一进程内的不同线程或任务之间进行数据交换和信息传递的过程。在多线程编程或并发编程中，不同的线程或任务可能需要共享数据、进行同步操作或者互相通知。常见的进程内通信方式包括共享内存、互斥锁、条件变量、信号量等。这些通信方式允许同一进程内的不同线程或任务之间进行数据共享和同步操作，从而实现并发编程的需求。

常见的进程间通信有以下几种：

• 管道（Pipe）：
  • 管道是一种最基本的进程间通信机制，它可以分为无名管道和命名管道两种形式。
  • 无名管道（Anonymous Pipe）：无名管道只能在具有亲缘关系的父子进程之间使用。通过 pipe 系统调用创建一个管道，然后通过 fork 创建的子进程可以与父进程进行管道通信。
  • 命名管道（Named Pipe）：命名管道允许不具有亲缘关系的进程之间进行通信。命名管道会在文件系统中创建一个特殊文件，进程可以通过打开该文件来进行读写操作。
• 共享内存（Shared Memory）：
  • 共享内存允许多个进程访问同一块物理内存空间，从而实现数据共享。进程可以将数据写入共享内存区域，其他进程可以从共享内存区域读取数据。
  • 在使用共享内存时，需要解决进程间的同步和互斥问题，以免多个进程同时对共享内存进行读写造成数据不一致。常见的解决方案包括使用信号量、互斥锁等同步机制。
• 消息队列（Message Queue）：
  • 消息队列允许进程向队列中发送消息，并且其他进程可以从队列中接收消息。消息队列提供了一种可靠的、异步的进程通信方式。
  • 进程可以通过系统调用 msgget 创建一个消息队列，然后使用 msgsnd 发送消息，其他进程可以使用 msgrcv 接收消息。
• 套接字（Socket）：
  • 套接字不仅用于不同主机之间的网络通信，也可以用于同一台主机上不同进程之间的通信。
  • 进程可以通过创建套接字并绑定到特定的端口，然后进行网络通信。本地套接字（Unix Domain Socket）则是一种专门用于本地进程间通信的套接字。
• 信号量（Semaphore）：
  • 信号量是一种用于进程间同步的机制，可以用来保护临界区，避免多个进程同时访问共享资源。
  • 进程可以使用系统调用 semget 创建一个信号量，使用 semop 对信号量进行操作，如加锁、解锁等。

常见的进程内通信有以下几种：

• 共享变量：
  • 共享变量是指多个线程共享同一块内存区域，可以通过读写该内存区域来进行数据交换。共享变量是最简单、最直接的进程内通信方式。
  • 在使用共享变量时，需要注意线程间的同步和互斥问题。可以使用锁、条件变量等机制保证线程对共享变量的访问正确性和可靠性。
• 条件变量（Condition Variable）：
  • 条件变量是一种用于线程间通信的机制，它可以让线程等待某个条件的发生，然后被唤醒。
  • 进程可以使用系统调用 pthread_cond_init 创建一个条件变量，使用 pthread_cond_wait 和 pthread_cond_signal 对条件变量进行操作，如等待、唤醒等。
• 信号量（Semaphore）：
  • 信号量也可以用于进程内通信，它是一种用于进程间同步的机制，可以用来保护临界区，避免多个线程同时访问共享资源。
  • 进程可以使用系统调用 sem_init 创建一个信号量，使用 sem_wait 和 sem_post 对信号量进行操作，如加锁、解锁等。
• 管道（Pipe）：
  • 在进程内部，管道也可以用于通信。可以使用 pipe 系统调用创建一个管道，然后在同一进程内的不同线程之间进行读写操作。
• 消息队列（Message Queue）：
  • 消息队列也可以用于进程内通信，进程可以通过系统调用 msgget 创建一个消息队列，然后使用 msgsnd 和 msgrcv 来发送和接收消息。

进程内通信方式相对于进程间通信来说，实现起来更加简单和高效，同时也避免了跨进程通信可能带来的数据复制和上下文切换带来的性能损失。但是，进程内通信也需要考虑线程间的同步、互斥和错误处理等问题，以保证通信的正确性和可靠性。

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。为了保证数据安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。因此，进程间的通信需借助操作系统的支持。

共享内存：

• 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为 10 的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。
• 基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。

消息队列（进程间的数据交换以格式化的消息为单位，进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换）：

• 直接通信方式：消息发送进程要指明接收进程的 ID。
• 间接通信方式：通过“信箱”间接地通信，因此又称为“信箱通信方式”。

管道：

• 是一个特殊的共享文件，又名 pipe 文件，其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。
• 写进程往管道写数据，即便是管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据。
• 读进程从管道读数据，即便是管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据。