第十一学 linux内核——进程管理——进程是什么

          我们前面提到过linux内核的几个子系统，他们分别是进程管理、虚拟文件系统（文件管理）、内存管理和网络接口管理（本来应该还有设备管理的，但是linux是以文件的方式管理硬件设备的，所以把它归为文件管理里边）。对于现代操作系统来说，进程是一个核心概念，它也是我们理解操作系统内核必须首先掌握的一个概念。所以，这节我们首先介绍进程的概念。

        我们从我们所熟悉的操作系统的操作开始：我们可以在一台PC上打开好多个网页、我们可以在看视频的时候跟女朋友聊天。就是说，从表象上来看，我们确实在同一时间运行了很多个程序。但实际上操作系统内部是做不到这点的（对于单核处理器来说），他们在一个具体的时间点有且仅有一条程序在运行，但我们分明看到我们同时运行了多个程序。其实很好解决，有时分复用概念的同学将会很容易理解这个概念：最容易想到的就是，我们给每个运行起来的程序都分配固定的运行时间，这个时间可以很短，然后让所有运行起来的程序都运行这么长一段时间再换另一个程序，这就是时间片轮转算法的雏形，不过实际上比这复杂多了，这里首先给一个宏观上的概念，只为好理解。

        要说进程这个概念，不得不提的一个概念就是程序。程序就是一个文件，比如我们的一个视频播放器，它由一个可执行文件和很多其它文件构成，这就是一个程序，它更多的被视为一个存储体。而所谓进程，即当程序跑起来了它就是一个进程，比如我们双击我们的视频播放器的可执行文件，它就可以开始播放视频了。实际上，在进程运行的过程中，它肯定是要访问CPU和内存的，进程运行的过程中还会加载一些跟本进程相关的一些文件，也就是说，进程运行过程中是不停的申请占用资源的，即进程的运行过程是一个动态的过程，相对而言，程序是一个静态的存储体。

         《linux操作系统原理与应用（第二版）》中给出了一个进程的明确定义：所谓进程是由正文段（Text）、用户数据段（User Segment）、以及系统数据段（System Segment）共同组成的一个执行环境。

        正文段：即存放被执行的机器指令。那这个段肯定是只读的，它应该可以被很多正在运行的进程共享，即多个实现同一操作过程的话就可以共享该段代码。

        用户数据段：存放进程在执行时直接操作的所有数据，显然这里的程序是可能被改变的，因而它应该被每个进程独享，抑或每个进程要有他专用的数据。

        系统数据段：该段有效的存储程序运行的环境。这是程序和进程最重要的区别所在。我们说程序是一个静态存储体，它事实上就包括正文段和自己的私有数据，而当程序运行起来之后就会在系统数据段存放该程序的控制信息，进程通过这些控制信息来控制进程的各种运行状态。linux为每个进程建立了一个tast_struct数据结构来容纳这些控制信息，这个结构体被叫做进程控制块（PCB）。

        进程是一个动态的实体，它具有生命周期，系统中进程的生死随时发生。譬如我们运行一个播放器，从双击它开始，到关闭它完成，这中间它要经过各种不同的事，比如有别的进程获取到CPU的时候它得停下来等，它可能由于系统中进程数太多卡死等等。这些都应该被完美的控制，那么表征这些控制信息的资源都应该被放在进程控制块中，程序运行过程中通过动态的修改、检测这些信息来决定程序在运行过程中的各种状态。

        为了对进程从产生到消亡这个动态变化的过程进行捕获和描述，就需要定义进程在运行过程中的各种状态，并制定相应的状态转换策略，以此来控制进程的运行。显然，这些信息是应该放在进程控制块中的。

        不同的操作系统对进程管理方式可能会不同，但无论如何进程最基本的三种状态是必须要体现的：

                1）、运行态：此时进程占有CPU，并在CPU上运行。

                2）、就绪态：进程已经具备运行条件（可能要申请的资源已到位），但由于CPU忙（被其他进程占用）而暂时不能运行。

                3）、阻塞态：进程由于要申请的资源没有到而等待资源的到位，此时就算CPU空进程也不能投入运行。

        这是三种必须有的状态，我们可以尝试为进程的这三种状态制定一个状态转换策略，即我们怎么决定程序何时进入哪种状态。

                1）、运行态->阻塞态：此时进程正处于运行的状态，在此过程中，它发现它需要一些资源，但是这些资源没来（比如我们需要从控制台输入一些数据进去，我们不输入则程序就不继续运行），于是我们修改进程控制块中的状态信息，让它进入阻塞态，而调度程序检测进程控制块中的信息，发现该进程是阻塞态，于是马上做相应的处理，调入一个其他进程来运行，而让这个进程自己去等待（实现的方法很多，你可以专门做一个等待队列什么的）。

                2）、运行态->就绪态：此时进程正处于运行的状态，但系统认为该进程占用CPU的时间过长，它觉得让别的进程等太长时间是不对的，于是修改进程控制块，让它进入就绪态（由于它是可以继续运行的，不存在等待资源），让别的进程也占用一会儿CPU，然后再运行此程序。

                3）、就绪态->运行态：这个好办，此时程序正处于就绪态，就等CPU空闲了然后投入运行。

                4）、阻塞态->就绪态：这个也比较好解决，当前程序处于阻塞态，它发现它要用的资源已经到了，然后马上就进入就绪态，等待占用CPU。

        这些状态转换策略的实现是依靠一个叫调度程序的程序实现的，我们以后会讲到调度程序的实现。