進程和程序（Process and Program）

原出處：http://oss.org.cn/kernel-book/ch04/4.1.htm

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程序：存放在硬盤中的文件，指令集+數據。被組織成：正文段（指令集） + 用戶數據段（數據）

進程：程序加載到內存中，分配內存空間，存放正文段（指令集） + 用戶數據段（棧 + 堆） + 系統數據段（PCB等系統用到的數據結構）

 

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首先咱們對進程做一明肯定義：所謂進程是由正文段（text）、用戶數據段（user segment）以及系統數據段（system　segment）共同組成的一個執行環境。

      圖4.1 程序及進程的組成
 程序只是一個普通文件，是一個機器代碼指令和數據的集合，這些指令和數據存儲在磁盤上的一個可執行映象（Executable Image）中，因此，程序是一個靜態的實體。這裏，對可執行映象作進一步解釋，可執行映象就是一個可執行文件的內容，例如，你編寫了一個C源程序，最終這個源程序要通過編譯、鏈接成爲一個可執行文件後才能運行。源程序中你要定義許多變量，在可執行文件中，這些變量就組成了數據段的一部分；源程序中的許多語句，例如「 i++; for(i=0; i<10; i++);」等，在可執行文件中，它們對應着許多不一樣的機器代碼指令，這些機器代碼指令經CPU執行，就完成了你所指望的工做。能夠這麼說：程序表明你指望完成某工做的計劃和步驟，它還浮在紙面上，等待具體實現。而具體的實現過程就是由進程來完成的，進程能夠認爲是運行中的程序，它除了包含程序中的全部內容外，還包含一些額外的數據。程序和進程的組成如圖4.1所示。

程序裝入內存後就能夠運行了：在指令指針寄存器的控制下，不斷的將指令取至CPU運行。這些指令控制的對象不外乎各類存儲器（內存、外存和各類CPU寄存器等），這些存儲器中保存有待運行的指令和待處理的數據，固然，指令只有獲得CPU才能發揮其做用。可見，在計算機內部，程序的執行過程實際上就是一個執行環境的總和，這個執行環境包括程序中各類指令和數據，還有一些額外數據，好比說寄存器的值、用來保存臨時數據（例如傳遞給某個函數的參數、函數的返回地址、保存變量等）的堆棧（包括程序堆棧和系統堆棧）、被打開文件的數量及輸入輸出設備的狀態等等。這個執行環境的動態變化表徵程序的運行。咱們就把這個環境稱做「進程」，它表明程序的執行過程，是一個動態的實體，它隨着程序中指令的執行而不斷地變化。在某個特定時刻的進程的內容被稱爲進程映象（process image）。

Linux是一個多任務操做系統，也就是說，能夠有多個程序同時裝入內存並運行，操做系統爲每一個程序創建一個運行環境即建立進程，每一個進程擁有本身的虛擬地址空間，它們之間互不干擾，即便要相互做用（例如多個進程合做完成某個工做），也要經過內核提供的進程間通訊機制（IPC）。Linux內核支持多個進程虛擬地併發執行，這是經過不斷地保存和切換程序的運行環境而實現的，選擇哪一個進程運行是由調度程序決定的。注意，在一些UNIX書籍中，又把「進程切換」（Process Switching）稱爲「環境切換」或「上下文切換」（Context Switching），這些術語表達的意思是相同的。

進程運行過程當中，還須要其餘的一些系統資源，例如，要用CPU來運行它的指令、要用系統的物理內存來容納進程自己和它的有關數據、要在文件系統中打開和使用文件、而且可能直接或間接的使用系統的物理設備，例如打印機、掃描儀等。因爲這些系統資源是由全部進程共享的，因此Linux必須監視進程和它所擁有的系統資源，使它們們能夠公平地擁有系統資源以獲得運行。

系統中最寶貴的資源是CPU，一般來講，系統中只有一個CPU，固然也能夠有多個CPU（Linux支持SMP___對稱多處理機）。Linux做爲多任務操做系統，其目的就是讓CPU上一直都有進程在運行，以最大限度地利用這一寶貴資源。一般狀況下，進程數目是多於CPU數目的，這樣其餘進程必須等待CPU這一資源。操做系統經過調度程序來選擇下一個最應該運行的進程，並使用一系列的調度策略來確保公平和高效。

進程是一個動態實體，如圖4.1所示，進程實體由三個獨立的部分組成：

（1）正文段（text）：存放被執行的機器指令。這個段是隻讀的（因此，在這裏不能寫本身能修改的代碼），它容許系統中正在運行的兩個或多個進程之間可以共享這一代碼。例如，有幾個用戶都在使用文本編輯器，在內存中僅須要該程序指令的一個副本，他們全都共享這一副本。

（2）用戶數據段（user segment）：存放進程在執行時直接進行操做的全部數據，包括進程使用的所有變量在內。顯然，這裏包含的信息能夠被改變。雖然進程之間能夠共享正文段，可是每一個進程須要有它本身的專用用戶數據段。例如同時編輯文本的用戶，雖然運行着一樣的程序__編輯器，可是每一個用戶都有不一樣的數據：正在編輯的文本。

（3）系統數據段（system segment）：該段有效地存放程序運行的環境。事實上，這正是程序和進程的區別所在。如前所述，程序是由一組指令和數據組成的靜態事物，它們是進程最初使用的正文段和用戶數據段。做爲動態事物，進程是正文段、用戶數據段和系統數據段的信息的交叉綜合體，其中系統數據段是進程實體最重要的一部分，之因此說它有效地存放程序運行的環境，是由於這一部分存放有進程的控制信息。系統中有許多進程，操做系統要管理它們、調度它們運行，就是經過這些控制信息。Linux爲每一個進程創建了task_struct數據結構來容納這些控制信息。

總之，進程是一個程序完整的執行環境。該環境是由正文段、用戶數據段、系統數據段的信息交織在一塊兒組成的。