一、什麽是並發

　　並發是什麽？很簡單，前面介紹的多道批處理系統就是典型的並發執行。這裏再次過一遍高性能的多道批處理系統，其本質在於保持對系統資源的占用，CPU運行一個任務，若這個任務中斷，如需要IO請求之類的，那麽CPU直接去運行其他任務，原任務的IO請求由IO設備自己處理。有一個著名的圖——表示並發：

　　如圖，假設計算機有輸入、計算、輸出這三個部件，一組任務順序執行，並發就是如圖流水線一樣的各部件配合。某一時刻，只有一個程序在占用CPU（計算設備）。那麽什麽是並行呢？並行是建立在多核的基礎上的，即多個CPU同時運行，那麽有幾個CPU，同一時刻就有幾個程序同時運行。所以電腦只有一個CPU的苦逼程序員只能並發了。

　　現代系統的實際並發比上圖要復雜的多，現代計算機系統的並發是以時間片為基礎的，即在很短的時間內，每個進程都分別運行一次。這樣，宏觀上，每個進程都在不斷的運行，而實際上每個進程的運行都是間斷運行的。那麽問題來了，什麽是進程呢？

二、什麽是進程

　　進程的目的就是為了對並發執行的程序進行控制。進程實體由程序段、數據段、PCB三部分構成。我們知道計算機運行的本質就是對數據的處理的機器。

　　——數據段就是各種數據

　　——程序段就是一系列操作計算機的指令，即操作數據的方法策略

　　——PCB 即進程控制塊（Process Control Block），控制運行程序段的時機。

　　書本上是這樣定義進程的：“進程是進程實體的運行過程，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位”。

　　讓我們理清楚思緒，進程是什麽？進程就是進程實體的運行過程，是一個過程。就是說，進程實體不運行，那就不叫進程。一個沒有被調用的進程實體，不叫進程。所以說，進程有動態的特征。上面提到，進程的目的就是為了對並發執行的程序進行控制。為了在一個時間片內，運行多個程序才引進進程。所以說，進程有並發的特征。進程實體是一個擁有獨立的資源（程序段和數據段）、（因為PCB）能獨立地接受調度並獨立的運行的基本單位。所以說，進程有獨立的特征。進程運行的過程中，由於涉及到的資源眾多、運行環境不一定，也受到其他進程的影響，所以，進程的運行情況是不可具體預知的。所以書本定義，進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進。所以說，進程有異步的特征。

　　可以這麽說，真正理解了進程的這五個特征，才算理解了進程這個概念。高手跟我們這些菜鳥的最大區別，不就在於對系統的理解嗎？ 　　

三、進程的狀態

　　進程有3種基本狀態：

（1）就緒（Ready）狀態

　　此時的進程擁有完整的進程實體，只要獲得CPU，即只要被調用就能馬上執行，這種狀態被稱為就緒狀態。處於這種狀態的進程都會被放進就緒隊列，以便隨時接受CPU調用。

（2）執行狀態

　　此時的進程已經獲得CPU，正在執行。

（3）阻塞狀態

　　執行中的進程，因為某種原因（IO請求）無法繼續執行的一種暫停狀態，暫停完畢就會變成就緒狀態。

　　除了以上的3種基本狀態，有的系統額外還增加了一種狀態。

（4）掛起狀態

　　為什麽需要掛起狀態？因為有時候希望某些正在執行的線程暫停下來，持續一段時間後，讓它回到之前的狀態。

　　掛起狀態是一種靜止的狀態，相當於把某個進程從執行的流水線上拿出來，等到需要的時候再把它放進去繼續執行。我們來看前三種基本狀態，就緒 ->執行 -> 阻塞，阻塞完畢又回到就緒。由於線程的異步性，阻塞是會在不確定的有限時間內結束的。就是說，三種基本狀態是動態的，通常不存在一個線程一直處於某種狀態。掛起狀態相對於它們來說，是靜止的，因為它是被控制的，是對以不可預知的速度前進的線程的一種幹擾。

　　此外，為了管理的需要，通常還有兩種比較常見的狀態。

（5）創建狀態

　　我們知道進程實體包括程序段、數據段和PCB。創建狀態指的是PCB已經被創建，因為某些原因（程序段或數據段未放入內存等），進程還未被放入就緒隊列的這種狀態。

（6）終止狀態

　　線程的終止也是有個過程的。終止狀態指的是線程除了PCB以外的系統資源都被回收後的狀態。此時線程真正終止。

四、進程的核心PCB

（1）PCB是什麼？

　　作為進程實體的一部分，PCB是用來控制進程運行的一種數據結構。它包含了進程的狀態、優先級、運行的狀態、處理機狀態、程序數據的內存地址等各種信息，一旦被操作系統調用，操作系統就從PCB中獲取的信息，來恢復進程阻塞前的現場，繼續執行。PCB一般都保存在CPU的寄存器中。

（2）PCB包含的信息

　　1）進程標識符。用來標識唯一的一個進程。包括方便系統調用的內部標識符和方便用戶調用的外部標識符。進程標識符通常還包括父、子進程，以及所屬用戶等信息。

　　2）處理機狀態信息。

　　　　處理機狀態信息指的是處理機調用線程時的環境信息。處理機處理調用進程時，運行過程中的許多信息都放在處理機的寄存器中。進程阻塞或掛起時，寄存器中的運行信息會保存到PCB中，以便進程下次被調用時恢復之前的運行現場。

　　3）進程調度信息。

　　　　進程調度信息指的是本進程調度所需的必要信息。包括，本進程的狀態（6種之一）、進程優先級、進程等待時間、進程執行時間（可能決定優先級）、阻塞原因、父子進程關系等。

　　4）進程控制信息。

　　　　進程控制信息指的是進程的資源信息和進程切換時的所需信息，包括進程的程序和數據的內存地址、進程同步和通信的機制、進程資源的清單、指向下一個進程PCB的指針（若PCB的組織方式是鏈接方式）等。

（3）PCB的具體信息（結構）

　　這裏我們來看一下Unix中，PCB的具體結構，以便對PCB有一個清晰的認識。這玩意其實就這麽一回事：

（下面代碼摘自http://blog.sina.com.cn/s/blog_65403f9b0100gs3a.html）

（4）PCB的組織形式

　　系統中擁有眾多PCB，對應著眾多進程，那麽這些PCB怎麽組織的呢？一般有兩種組織方式：鏈接方式和索引方式。這兩種方式的共同點在於，正在執行的PCB，都有一個執行指針指向它。不同在於，鏈接方式的就緒隊列、阻塞隊列等，通過指針鏈接的方式組織。進程切換時，直接取就緒隊列指針即可，因為它指向的就是當前優先級最高的就緒的PCB，隨後就緒隊列指針指向其指向的下一個PCB。索引方式的就緒隊列、阻塞隊列等，通過一個表的形式來組織，就緒隊列指針指向這個表的第一條數據。這個表本質是一個指針數組，第一個指針指向的當然是優先級最高的就緒進程。

五、進程控制

　　進程控制是什麼？本質就是切換進程狀態的控制。 一般由操作系統中的原語實現。原語即具有“原子操作”這種屬性的若幹指令集合，說白了，就是這些指令集合，要麽全部執行，要麽全部不執行。不同操作系統的原語也是有區別的。

（1）、進程創建

　　進程可能是由系統內核收到請求而創建，也可能由進程本身創建，由進程本身創建的進程一般是子進程，它繼承父進程擁有的全部資源。創建進程由進程創建原語實現，通常由下面幾個步驟：

（2）、進程終止

　　進程的終止是由操作系統執行的。當一個進程因各種原因結束時，會通知操作系統。操作系統會調用進程終止原語來終止對應進程：

（3）進程阻塞

　　進程的阻塞是由進程自身主動執行的。但進程發現自身無法繼續執行時，就主動調用進程阻塞原語，把自己阻塞：

（4）進程喚醒

　　進程的喚醒通常由其他線程執行。但其他線程由於某些事件希望執行線程執行時，會調用進程喚醒原語將指定進程喚醒：

　　值得註意的是，進程喚醒和進程阻塞是一對作用剛好相反的原語。阻塞的進程必須由進程喚醒操作才能繼續執行。

（5）進程掛起和激活

　　進程掛起由自身或其他進程執行。進程激活由其他進程執行。過程很簡單，就不畫圖了：

　　1）進程掛起：若進程為活動就緒，就將其改為靜止就緒；若進程為活動阻塞，就將其改為靜止阻塞；若進程正在執行，則讓調度程序重新調度。

　　（PS：由於沒有掛起隊列，所以需要把進程的PCB復制到指定的內存區域）

　　2）進程激活：若進程為靜止就緒，就將其改為活動就緒；若進程為靜止阻塞，就將其改為活動阻塞；

操作系統 進程（上）