1.5.1进程的基本概念

1.5.1　进程的基本概念

1.5.1.1　进程的特征与定义

在计算机中，程序的并发执行具有不可再现性。那么，如何使程序既能并发执行，又具有可再现性呢？这就必须引入进程的概念，也就是说，引入进程的目的是为了使程序能够正确地并发执行。

进程是OS中最重要的概念，它具有以下特征：

（1）结构特征。从结构上说，每个进程实体中除了相应的程序段、数据段外，还必须包含一个数据结构PCB，即进程控制块。

（2）动态性。进程是程序的一次执行过程，因此它是动态的。动态性还表现在进程具有一定的生命周期，它必须由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡。动态性是进程的一个最基本的特征。

（3）并发性。并发性是指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。只有为程序创建进程后，多个程序才能正确地并发运行。并发是引入进程的目的，也是进程的另一个最基本的特征。

（4）独立性。进程实体是一个能够独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。

（5）异步性。进程可按各自独立的、不可预知的速度向前推进。

通过上面的特征描述，已经可以看出进程的本质含义，但至今，进程仍没有一个完全统一的定义。下面是几个较为典型的进程定义。

（1）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。

（2）进程是程序的一次执行。

（3）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时发生的活动。

（4）进程是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。

1.5.1.2　进程的状态

1．进程的三种基本状态

进程执行的间断性决定了进程可能具有多种状态。事实上，进程运行可能有以下三种基本状态：

（1）就绪状态。进程分配到了除CPU以外的所有必要资源，只要得到CPU，便可立即执行。

（2）执行状态。进程已经得到了CPU，其程序正在CPU上执行。

（3）阻塞状态。又称等待、挂起，正在执行的进程因某种事件（如I/O请求）的发生而暂时无法继续执行，只有等相应事件完成后，才能去竞争CPU。

如图1-1所示是进程的三种基本状态以及各状态之间的转换关系。

对单个进程而言，任何时刻，它只能处于三种基本状态之一，而随着进程自身的推进和外界环境条件的变化，它的状态可以动态地转换：就绪进程被进程调度获得CPU后，便进入执行状态；分时系统中，正在执行的进程由于时间片用完而暂停执行时，便从执行状态转换成就绪状态；正在执行的进程中，由于等待某种事件（如I/O操作）的完成而无法继续执行时，便从执行状态转换成阻塞状态；阻塞的进程所等待的事件（如I/O）完成后，便从阻塞状态转换成就绪状态。

对整个系统而言，每个时刻允许同时有多个进程处于就绪状态，通常将它们组织成一个或多个就绪队列；也允许同时有多个进程处于阻塞状态，并将它们组织成一个或多个阻塞队列；但对执行状态的进程，每个处理机最多只允许有一个。

图1-1　进程的三种基本状态及其转换

2．进程的挂起状态

在不少系统中，进程只有上述三种基本状态，但在另一些系统中，又增加了一些新的状态，最重要的是挂起状态。

“挂起”的实质是使进程不能继续执行，即使挂起后的进程处于就绪状态，它也不能参与CPU的竞争。

因此，称被挂起的进程处于静止状态，相反，没被挂起的进程则处于活动状态。而且，处于静止状态的进程，只有通过“激活”动作，才能转换成活动状态。

“挂起”常被用在进程对换中，此时，挂起（即换出）进程可以腾出内存空间给就绪进程使用；“挂起”还可用在其他场合，如用来调节系统的负荷、方便用户考查自己的运行进程或父进程考查子进程、方便操作系统检查运行中的资源使用情况或进行记账等。

引入挂起状态后，进程的状态转换关系，如图1-2所示。

图1-2　具有挂起状态的进程状态图

1.5.1.3　进程控制块

为了描述和控制进程的运行，系统为每个进程定义了一个数据结构——进程控制块PCB。PCB是进程实体的一个组成部分，在PCB中记录了OS所需的、用于描述进程的当前状态以及控制进程的全部信息。PCB的作用是将程序变成可并发执行的进程。系统根据进程的PCB感知到一进程的存在，并对它进行控制，因此，PCB是进程存在的唯一标志。由于PCB要系统频繁访问，它必须长驻内存。

进程控制块中通常包含下列信息：

（1）进程标识符：用于唯一地标识系统中的每个进程。另外，还可以用父进程的标识符、子进程的标识符来描述进程的家族关系。

（2）处理机状态：用于CPU切换时保存现场和恢复现场，主要由处理机中各种寄存器的内容组成。

（3）进程调度和控制信息：用于进程调度和控制，主要包括进程状态、优先级、等待和使用CPU的时间总和、程序和数据的地址、进程同步和通信信息、资源清单和进程队列指针等。

在一个系统中通常有许多的PCB，称为PCB集合。为了便于管理，系统必须用适当的方式将PCB组织起来，常用的方式有链接方式和索引方式。