Process
进程的概念
程序是静态的，是存放在磁盘中的可执行文件，例如 .exe 文件或 ELF 文件。
进程是动态的，是程序的一次执行过程。同一个程序可以被多次运行，每次运行都对应一个独立进程。
同一个程序的多个进程可以拥有相同的程序段，但它们的 PCB、数据段、资源占用和执行位置不同。比如同时登录多个账号，本质上是同一程序对应多个进程。
引入进程实体后，可以更准确地定义进程：
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独立单位。
进程运行前，程序指令要装入主存，运行中产生的数据也要有存放位置。操作系统还要保存管理该进程所需的信息。
进程实体也称进程映像，由程序段、数据段、PCB 三部分组成。
| 组成 | 内容 | 使用者 |
|---|---|---|
| 程序段 | 程序指令 | CPU 取指并执行 |
| 数据段 | 运行中产生和使用的数据 | 进程自身 |
| PCB | 进程标识、状态、资源、调度和运行现场信息 | 操作系统 |
程序段和数据段与进程自己的运行逻辑有关；PCB 与操作系统的管理逻辑有关。
PCB
PCB 是 Process Control Block，即进程控制块。操作系统需要管理进程，而管理所需的信息都保存在 PCB 中。
PCB 是进程存在的唯一标志。创建进程时，操作系统创建 PCB；进程结束时，操作系统回收 PCB。PCB 被回收后，该进程就不再存在。
| PCB 信息 | 内容 | 用途 |
|---|---|---|
| 进程描述信息 | PID、UID 等 | 区分不同进程和所属用户 |
| 进程控制和管理信息 | 当前状态、优先级、运行统计信息等 | 支持调度和状态管理 |
| 资源分配清单 | 内存、打开文件、I/O 设备等 | 记录进程占用的系统资源 |
| 处理机相关信息 | PC、PSW、通用寄存器、栈指针等 | 保存和恢复运行现场 |
PCB 是操作系统管理进程的控制信息。进程真正要执行的指令在程序段中，运行中读写的数据在数据段、堆、栈等区域中。
| 特征 | 含义 |
|---|---|
| 动态性 | 进程有创建、运行、暂停、终止等生命周期，这是进程最基本的特征 |
| 并发性 | 多个进程可以在时间上交替推进，宏观上像是同时运行 |
| 独立性 | 进程是资源分配和调度的独立单位 |
| 异步性 | 各进程以不可预知的速度向前推进，执行结果可能受调度顺序影响 |
程序是静态文件，不具有这些运行时特征。进程之所以具有动态性，是因为它会在不同状态之间转换；进程之所以能并发和异步推进，是因为操作系统能保存现场、恢复现场，并把进程放入合适的调度队列。
进程的状态
进程状态描述进程当前处于生命周期的哪个阶段，以及是否具备运行条件。
| 状态 | 含义 | PCB/队列视角 |
|---|---|---|
| 创建态 | 操作系统正在创建进程 | 创建 PCB，分配必要资源，初始化信息 |
| 就绪态 | 除 CPU 外，其他运行条件已经具备 | PCB 在就绪队列中等待调度 |
| 运行态 | 进程正在 CPU 上执行 | 单 CPU 下同一时刻最多一个进程运行，多核下可以多个进程运行 |
| 阻塞态 | 进程正在等待资源或事件，暂时不能继续执行 | PCB 在某个阻塞队列中等待事件发生 |
| 终止态 | 进程已经结束，操作系统正在清理 | 回收资源，最后撤销 PCB |
就绪态、运行态、阻塞态是最常见的三个基本状态。就绪态和阻塞态都没有占用 CPU，但原因不同：就绪态只差 CPU；阻塞态即使获得 CPU 也无法继续执行。
| 状态转换 | 触发原因 | 操作系统动作 |
|---|---|---|
| 创建态 $\to$ 就绪态 | 创建工作完成 | 初始化 PCB，把进程放入就绪队列 |
| 就绪态 $\to$ 运行态 | 被调度程序选中 | 恢复运行现场，把 CPU 分给该进程 |
| 运行态 $\to$ 就绪态 | 时间片用完、被抢占、主动让出 CPU | 保存运行现场，把 PCB 放回就绪队列 |
| 运行态 $\to$ 阻塞态 | 请求 I/O、等待资源、等待事件 | 保存运行现场，把 PCB 放入对应阻塞队列 |
| 阻塞态 $\to$ 就绪态 | 等待事件发生或资源可用 | 修改状态，把 PCB 移入就绪队列 |
| 运行态 $\to$ 终止态 | 正常退出、异常结束、被终止 | 进程下 CPU，回收资源，最后撤销 PCB |
阻塞进程等待的事件发生后，只是重新具备运行条件，应先转入就绪态。是否立即运行，由调度程序决定。
PCB 中通常有 state 字段表示当前状态。为了管理同一状态下的多个进程，操作系统还会把 PCB 组织起来。
常见组织方式有两种：
| 组织方式 | 做法 | 例子 |
|---|---|---|
| 链接方式 | 用指针把同类 PCB 连成队列 | 就绪队列、阻塞队列 |
| 索引方式 | 用索引表记录同类 PCB 的地址 | 就绪索引表、阻塞索引表 |
阻塞队列通常不止一个。等待打印机、等待磁盘 I/O、等待某个信号量的进程，可以放入不同阻塞队列。事件发生时，操作系统沿着对应队列找到需要唤醒的进程。
进程控制
进程控制是操作系统对进程生命周期和状态转换的管理，包括创建新进程、撤销已有进程、阻塞进程、唤醒进程和切换进程。
进程控制不是只改一个状态标签，而是要同时维护 PCB、队列和资源。
一次进程控制通常涉及三类操作：
- 更新 PCB 中的信息，例如修改
state。 - 将 PCB 插入合适队列，或从原队列中移出。
- 分配或回收资源。
如果进程要离开 CPU，还要保存运行现场；如果进程要开始运行，还要恢复运行现场。
原语
进程控制通常由原语实现。原语是运行在内核态的一段特殊程序，执行时具有原子性，即执行过程不可被中断。
原语必须原子执行，是因为进程控制常常要同时修改多个内核数据结构。以唤醒进程为例，操作系统至少要做两件事：
- 把 PCB 中的
state从阻塞态改为就绪态。 - 把 PCB 从阻塞队列移到就绪队列。
如果第一步完成后被中断，系统可能出现“PCB 的状态是就绪，但 PCB 仍在阻塞队列中”的不一致。
原语的原子性可以通过关中断和开中断实现。关中断和开中断是特权指令，只能在内核态执行。若普通用户程序可以随意关中断，系统可能无法响应时钟中断、I/O 中断和调度请求。
常见进程控制原语
| 原语 | 典型状态变化 | 主要工作 |
|---|---|---|
| 创建原语 | 无 $\to$ 创建态 $\to$ 就绪态 | 申请空白 PCB，分配资源，初始化 PCB，插入就绪队列 |
| 撤销原语 | 运行/就绪/阻塞 $\to$ 终止态 $\to$ 无 | 终止进程，回收资源，撤销 PCB |
| 阻塞原语 | 运行态 $\to$ 阻塞态 | 保存现场，修改状态，插入对应阻塞队列，调度其他进程 |
| 唤醒原语 | 阻塞态 $\to$ 就绪态 | 根据事件找到阻塞进程，修改状态，移入就绪队列 |
| 切换原语 | 运行态 $\leftrightarrow$ 就绪态 | 保存当前进程现场，恢复新进程现场 |
阻塞原语和唤醒原语通常成对出现。因何事阻塞，就应由何事唤醒。等待磁盘 I/O 的进程，应在对应 I/O 完成后被唤醒；等待某个信号量的进程，应在该信号量可用后被唤醒。
上下文切换
上下文是进程继续执行所需的运行现场，典型内容包括 PC、PSW、通用寄存器、栈指针以及其他体系结构相关寄存器。
进程运行时，中间结果和下一条指令地址可能保存在 CPU 寄存器中。进程离开 CPU 前必须保存这些内容，否则下次无法从原位置继续执行。
一次上下文切换通常包括：
- 把当前运行进程的 CPU 现场保存到它的 PCB。
- 修改当前进程状态，把 PCB 放入合适队列。
- 从就绪队列中选择下一个进程。
- 从新进程 PCB 恢复 CPU 现场。
- 新进程从上次停下的位置继续执行。
上下文切换不是普通函数调用。它改变了 CPU 正在服务的进程，也改变了当前运行现场对应的地址空间、栈和寄存器集合。