進程

　　引入多道程序在執(zhí)行時，需要共享系統(tǒng)資源，從而導致各程序在執(zhí)行過程中出現(xiàn)相互制約的關(guān)系，程序的執(zhí)行表現(xiàn)出間斷性的特征。這些特征都是在程序的執(zhí)行過程中發(fā)生的，是動態(tài)的過程，而傳統(tǒng)的程序本身是一組指令的集合，是一個靜態(tài)的概念，無法描述程序在內(nèi)存中的執(zhí)行情況，即我們無法從程序的字面上看出它何時執(zhí)行，何時停頓，也無法看出它與其它執(zhí)行程序的關(guān)系，因此，程序這個靜態(tài)概念已不能如實反映程序并發(fā)執(zhí)行過程的特征。為了深刻描述程序動態(tài)執(zhí)行過程的性質(zhì)，人們引入“進程（Process）”概念。

　　概念

　　進程是60年代初首先由麻省理工學院的MULTICS系統(tǒng)和IBM公司的CTSS/360系統(tǒng)引入的。

　　進程是一個具有獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。它可以申請和擁有系統(tǒng)資源，是一個動態(tài)的概念，是一個活動的實體。它不只是程序的代碼，還包括當前的活動，通過程序計數(shù)器的值和處理寄存器的內(nèi)容來表示。

windows的進程管理器

　　定義

　　狹義定義：進程就是程序的執(zhí)行過程。

　　進程是一個具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。它是操作系統(tǒng)動態(tài)執(zhí)行的基本單元，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進程既是基本的分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。

　　主要兩點

　　進程的概念主要有兩點：第一，進程是一個實體。每一個進程都有它自己的地址空間，一般情況下，包括文本區(qū)域（text region）、數(shù)據(jù)區(qū)域（data region）和堆棧（stack region）。文本區(qū)域存儲處理器執(zhí)行的代碼；數(shù)據(jù)區(qū)域存儲變量和進程執(zhí)行期間使用的動態(tài)分配的內(nèi)存；堆棧區(qū)域存儲著活動過程調(diào)用的指令和本地變量。第二，進程是一個“執(zhí)行中的程序”。程序是一個沒有生命的實體，只有處理器賦予程序生命時，它才能成為一個活動的實體，我們稱其為進程。

　　進程是操作系統(tǒng)中最基本、重要的概念。是多道程序系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了刻畫系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的動態(tài)情況，描述系統(tǒng)內(nèi)部各道程序的活動規(guī)律引進的一個概念,所有多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)都建立在進程的基礎(chǔ)上。

　　原因

　　操作系統(tǒng)引入進程的概念的原因:

　　從理論角度看，是對正在運行的程序過程的抽象；

　　從實現(xiàn)角度看，是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，目的在于清晰地刻畫動態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，有效管理和調(diào)度進入計算機系統(tǒng)主存儲器運行的程序。

　　特征

　　動態(tài)性：進程的實質(zhì)是程序在多道程序系統(tǒng)中的一次執(zhí)行過程，進程是動態(tài)產(chǎn)生，動態(tài)消亡的。

　　并發(fā)性：任何進程都可以同其他進程一起并發(fā)執(zhí)行

　　獨立性：進程是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統(tǒng)分配資源和調(diào)度的獨立單位；

　　異步性：由于進程間的相互制約，使進程具有執(zhí)行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進

　　結(jié)構(gòu)特征：進程由程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊三部分組成。

　　多個不同的進程可以包含相同的程序：一個程序在不同的數(shù)據(jù)集里就構(gòu)成不同的進程，能得到不同的結(jié)果；但是執(zhí)行過程中，程序不能發(fā)生改變。

　　內(nèi)容

　　一個計算機系統(tǒng)進程包括（或者說“擁有”）下列數(shù)據(jù)：

　　那個程序的可運行機器碼的一個在存儲器的映像。 分配到的存儲器（通常包括虛擬內(nèi)存的一個區(qū)域）。存儲器的內(nèi)容包括可運行代碼、特定于進程的數(shù)據(jù)（輸入、輸出）、調(diào)用堆棧、堆棧（用于保存運行時運數(shù)中途產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）。 分配給該進程的資源的操作系統(tǒng)描述符，諸如文件描述符（Unix 術(shù)語）或文件句柄（Windows）、數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)終端。 安全特性，諸如進程擁有者和進程的權(quán)限集（可以容許的操作）。 處理器狀態(tài)（內(nèi)文），諸如寄存器內(nèi)容、物理存儲器尋址等。當進程正在運行時，狀態(tài)通常儲存在寄存器，其他情況在存儲器。

　　切換 

Windows 和Windows Vista 體系結(jié)構(gòu)

　　進行進程切換就是從正在運行的進程中收回處理器，然后再使待運行進程來占用處理器。

　　這里所說的從某個進程收回處理器，實質(zhì)上就是把進程存放在處理器的寄存器中的中間數(shù)據(jù)找個地方存起來，從而把處理器的寄存器騰出來讓其他進程使用。那么被中止運行進程的中間數(shù)據(jù)存在何處好呢？當然這個地方應該是進程的私有堆棧。

　　讓進程來占用處理器，實質(zhì)上是把某個進程存放在私有堆棧中寄存器的數(shù)據(jù)（前一次本進程被中止時的中間數(shù)據(jù)）再恢復到處理器的寄存器中去，并把待運行進程的斷點送入處理器的程序指針PC，于是待運行進程就開始被處理器運行了，也就是這個進程已經(jīng)占有處理器的使用權(quán)了。

　　這就像多個同學要分時使用同一張課桌一樣，所謂要收回正在使用課桌同學的課桌使用權(quán)，實質(zhì)上就是讓他把屬于他的東西拿走；而賦予某個同學課桌使用權(quán)，只不過就是讓他把他的東西放到課桌上罷了。

　　在切換時，一個進程存儲在處理器各寄存器中的中間數(shù)據(jù)叫做進程的上下文，所以進程的 切換實質(zhì)上就是被中止運行進程與待運行進程上下文的切換。在進程未占用處理器時，進程 的上下文是存儲在進程的私有堆棧中的。

　　狀態(tài)

進程的三個基本狀態(tài)

　　進程執(zhí)行時的間斷性，決定了進程可能具有多種狀態(tài)。事實上，運行中的進程可能具有以下三種基本狀態(tài)。

　　1）就緒狀態(tài)（Ready）：

　　進程已獲得除處理器外的所需資源，等待分配處理器資源；只要分配了處理器進程就可執(zhí)行。就緒進程可以按多個優(yōu)先級來劃分隊列。例如，當一個進程由于時間片用完而進入就緒狀態(tài)時，排入低優(yōu)先級隊列；當進程由I/O操作完成而進入就緒狀態(tài)時，排入高優(yōu)先級隊列。

　　2）運行狀態(tài)(Running)：

　　進程占用處理器資源；處于此狀態(tài)的進程的數(shù)目小于等于處理器的數(shù)目。在沒有其他進程可以執(zhí)行時(如所有進程都在阻塞狀態(tài))，通常會自動執(zhí)行系統(tǒng)的空閑進程。

　　3）阻塞狀態(tài)(Blocked)：

　　由于進程等待某種條件（如I/O操作或進程同步），在條件滿足之前無法繼續(xù)執(zhí)行。該事件發(fā)生前即使把處理機分配給該進程，也無法運行。

　　區(qū)別

　　程序

　　程序是指令和數(shù)據(jù)的有序集合，其本身沒有任何運行的含義，是一個靜態(tài)的概念。而進程是程序在處理機上的一次執(zhí)行過程，它是一個動態(tài)的概念。

　　程序可以作為一種軟件資料長期存在，而進程是有一定生命期的。程序是永久的，進程是暫時的。

　　進程更能真實地描述并發(fā)，而程序不能；

　　進程是由進程控制塊、程序段、數(shù)據(jù)段三部分組成;

　　進程具有創(chuàng)建其他進程的功能，而程序沒有。

　　同一程序同時運行于若干個數(shù)據(jù)集合上，它將屬于若干個不同的進程，也就是說同一程序可以對應多個進程。

　　在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，程序并不能獨立運行，作為資源分配和獨立運行的基本單元都是進程。

　　線程

進程和線程關(guān)系

　　通常在一個進程中可以包含若干個線程，它們可以利用進程所擁有的資源，在引入線程的操作系統(tǒng)中，通常都是把進程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調(diào)度的基本單位，由于線程比進程更小，基本上不擁有系統(tǒng)資源，故對它的調(diào)度所付出的開銷就會小得多，能更高效的提高系統(tǒng)內(nèi)多個程序間并發(fā)執(zhí)行的程度。

　　上一年推出的通用操作系統(tǒng)都引入了線程，以便進一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性，并把它視為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個重要指標。

　　控制

　　進程控制是進程管理中最基本的功能。它用于創(chuàng)建一個新進程，終止一個已完成的進程，或者去終止一個因出現(xiàn)某事件而使其無法運行下去的進程，還可負責進程運行中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

　　創(chuàng)建進程

　　1.引起創(chuàng)建進程的事件

　　在多道程序環(huán)境中，只有（作為）進程（時）才能在系統(tǒng)中運行。因此，為使程序能運行，就必須為它創(chuàng)建進程。導致一個進程去創(chuàng)建另一個進程的典型事件，可以有以下四類：

　　1） 用戶登錄

　　在分時系統(tǒng)中，用戶在終端鍵入登錄命令后，如果是合法用戶，系統(tǒng)將為該終端建立一個進程，并把它插入到就緒隊列中。

　　2）作業(yè)調(diào)度

　　在批處理系統(tǒng)中，當作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法調(diào)度到某作業(yè)時，便將該作業(yè)裝入到內(nèi)存，為它分配必要的資源，并立即為它創(chuàng)建進程，再插入到就緒隊列中。

　　3） 提供服務

　　當運行中的用戶程序提出某種請求后，系統(tǒng)將專門創(chuàng)建一個進程來提供用戶所需要的服務，例如，用戶程序要求進行文件打印，操作系統(tǒng)將為它創(chuàng)建一個打印進程，這樣，不僅可以使打印進程與該用戶進程并發(fā)執(zhí)行，而且還便于計算出為完成打印任務所花費的時間。

　　4） 應用請求

　　在上述三種情況中，都是由系統(tǒng)內(nèi)核為它創(chuàng)建一個新進程，而這一類事件則是基于應用進程的需求，由它創(chuàng)建一個新的進程，以便使新進程以并發(fā)的運行方式完成特定任務。

　　2.進程的創(chuàng)建過程

　　一旦操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了要求創(chuàng)建新進程的事件后，便調(diào)用進程創(chuàng)建原語Creat（）按下述步驟創(chuàng)建一個新進程。

　　1） 申請空白PCB。為新進程申請獲得唯一的數(shù)字標識符，并從PCB集合中索取一個空白PCB。

　　2） 為新進程分配資源。為新進程的程序和數(shù)據(jù)以及用戶棧分配必要的內(nèi)存空間。顯然，此時操作系統(tǒng)必須知道新進程所需要的內(nèi)存大小。

　　3） 初始化進程控制塊。PCB的初始化包括：

　?、俪跏蓟瘶俗R信息，將系統(tǒng)分配的標識符和父進程標識符，填入新的PCB中。

　?、诔跏蓟幚頇C狀態(tài)信息，使程序計數(shù)器指向程序的入口地址，使棧指針指向棧頂。

　?、鄢跏蓟幚頇C控制信息，將進程的狀態(tài)設(shè)置為就緒狀態(tài)或靜止就緒狀態(tài)，對于優(yōu)先級，通常是將它設(shè)置為最低優(yōu)先級，除非用戶以顯式的方式提出高優(yōu)先級要求。

　　4） 將新進程插入就緒隊列，如果進程就緒隊列能夠接納新進程，便將新進程插入到就緒隊列中。

　　進程終止

　　1.引起進程終止的事件

　　1）正常結(jié)束

　　在任何計算機系統(tǒng)中，都應該有一個表示進程已經(jīng)運行完成的指示。例如，在批處理系統(tǒng)中，通常在程序的最后安排一條Hold指令或終止的系統(tǒng)調(diào)用。當程序運行到Hold指令時，將產(chǎn)生一個中斷，去通知OS本進程已經(jīng)完成。

　　2）異常結(jié)束

　　在進程運行期間，由于出現(xiàn)某些錯誤和故障而迫使進程終止。這類異常事件很多，常見的有：越界錯誤，保護錯，非法指令，特權(quán)指令錯，運行超時，等待超時，算術(shù)運算錯，I/O故障。

　　3）外界干預

　　外界干預并非指在本進程運行中出現(xiàn)了異常事件，而是指進程應外界的請求而終止運行。這些干預有：操作員或操作系統(tǒng)干預，父進程請求，父進程終止。

　　2. 進程的終止過程

　　如果系統(tǒng)發(fā)生了上述要求終止進程的某事件后，OS便調(diào)用進程終止原語，按下述過程去終止指定的進程。

　　1）根據(jù)被終止進程的標識符，從PCB集合中檢索出該進程的PCB，從中讀出該進程狀態(tài)。

　　2）若被終止進程正處于執(zhí)行狀態(tài)，應立即終止該進程的執(zhí)行，并置調(diào)度標志為真。用于指示該進程被終止后應重新進行調(diào)度。

　　3）若該進程還有子孫進程，還應將其所有子孫進程予以終止，以防他們成為不可控的進程。

　　4）將被終止的進程所擁有的全部資源，或者歸還給其父進程，或者歸還給系統(tǒng)。

　　5）將被終止進程（它的PCB）從所在隊列（或鏈表）中移出，等待其它程序來搜集信息。

　　阻塞喚醒

　　1.引起進程阻塞和喚醒的事件

　　1）請求系統(tǒng)服務

　　當正在執(zhí)行的進程請求操作系統(tǒng)提供服務時，由于某種原因，操作系統(tǒng)并不立即滿足該進程的要求時，該進程只能轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)來等待，一旦要求得到滿足后，進程被喚醒。

　　2）啟動某種操作

　　當進程啟動某種操作后，如果該進程必須在該操作完成之后才能繼續(xù)執(zhí)行，則必須先使該進程阻塞，以等待該操作完成，該操作完成后，將該進程喚醒。

　　3）新數(shù)據(jù)尚未到達

　　對于相互合作的進程，如果其中一個進程需要先獲得另一（合作）進程提供的數(shù)據(jù)才能運行以對數(shù)據(jù)進行處理，則是要其所需數(shù)據(jù)尚未到達，該進程只有（等待）阻塞，等到數(shù)據(jù)到達后，該進程被喚醒。

　　4）無新工作可做

　　系統(tǒng)往往設(shè)置一些具有某特定功能的系統(tǒng)進程，每當這種進程完成任務后，便把自己阻塞起來以等待新任務到來，新任務到達后，該進程被喚醒。

　　2.進程阻塞過程

　　正在執(zhí)行的進程，當發(fā)現(xiàn)上述某事件后，由于無法繼續(xù)執(zhí)行，于是進程便通過調(diào)用阻塞原語block把自己阻塞?？梢姡M程的阻塞是進程自身的一種主動行為。進入block過程后，由于此時該進程還處于執(zhí)行狀態(tài)，所以應先立即停止執(zhí)行，把進程控制塊中的現(xiàn)行狀態(tài)由執(zhí)行改為阻塞，并將PCB插入阻塞隊列。如果系統(tǒng)中設(shè)置了因不同事件而阻塞的多個阻塞隊列，則應將本進程插入到具有相同事件的阻塞（等待）隊列。最后，轉(zhuǎn)調(diào)度程序進行重新調(diào)度，將處理機分配給另一就緒進程，并進行切換，亦即，保留被阻塞進程的處理機狀態(tài)（在PCB中），再按新進程的PCB中的處理機狀態(tài)設(shè)置CPU環(huán)境。

　　3. 進程喚醒過程

　　當被阻塞的進程所期待的事件出現(xiàn)時，如I/O完成或者其所期待的數(shù)據(jù)已經(jīng)到達，則由有關(guān)進程（比如，用完并釋放了該I/O設(shè)備的進程）調(diào)用喚醒原語wakeup（），將等待該事件的進程喚醒。喚醒原語執(zhí)行的過程是：首先把被阻塞的進程從等待該事件的阻塞隊列中移出，將其PCB中的現(xiàn)行狀態(tài)由阻塞改為就緒，然后再將該PCB插入到就緒隊列中。

　　調(diào)度算法

　　進程的調(diào)度算法包括：

　　FIFO（First Input First Output 先進先出法）、

　　RR（時間片輪轉(zhuǎn)算法）、

　?。℉PF）最高優(yōu)先級算法。

　　階段

　　進程是由進程控制塊、程序段、數(shù)據(jù)段三部分組成。一個進程可以包含若干線程(Thread)，線程可以幫助應用程序同時做幾件事(比如一個線程向磁盤寫入文件，另一個則接收用戶的按鍵操作并及時做出反應，互相不干擾)，在程序被運行后，系統(tǒng)首先要做的就是為該程序進程建立一個默認線程，然后程序可以根據(jù)需要自行添加或刪除相關(guān)的線程。是可并發(fā)執(zhí)行的程序。在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位，也是稱活動、路徑或任務，它有兩方面性質(zhì)：活動性、并發(fā)性。進程可以劃分為運行、阻塞、就緒三種狀態(tài)，并隨一定條件而相互轉(zhuǎn)化：就緒--運行，運行--阻塞，阻塞--就緒。

　　進程為應用程序的運行實例，是應用程序的一次動態(tài)執(zhí)行?？此聘呱?，我們可以簡單地理解為：它是操作系統(tǒng)當前運行的執(zhí)行程序。在系統(tǒng)當前運行的執(zhí)行程序里包括：系統(tǒng)管理計算機個體和完成各種操作所必需的程序；用戶開啟、執(zhí)行的額外程序，當然也包括用戶不知道，而自動運行的非法程序（它們就有可能是病毒程序）。