操做系統學習（二）--進程描述和執行

這是操做系統系列第 2 篇。

若是你想知道操做系統天天都在作些什麼，那就打開你的資源監視器：

資源監視器截圖，Windows 10

單獨經過這一張圖，咱們就可以總結出操做系統的幾個重要功能：

• 進程管理
• 線程管理
• 內存管理
• I/O 管理（包含了磁盤調度）
• 文件管理，這一功能在圖裏沒有表現出來，但我相信每一個使用計算機的人都知道它。

爲何我要從進程開始講起呢？

緣由很簡單，咱們天天使用計算機，包括手機和電腦，本質上是使用運行在其操做系統上的應用程序。對於咱們來說，操做系統最爲直觀的功能就是進程管理，因此，讓咱們從進程管理入手，由表及裏，一步步深挖操做系統的本質。

進程是什麼？

我在第一篇文章裏簡單提到了進程這一律念，這裏再詳細講一下，加深理解。

操做系統的設計從根本上來講是爲了迎合用戶需求，對我的用戶來講，需求就是在一臺計算機上運行多個應用程序，以知足生活和工做的須要。但應用程序這麼多，不可能讓每個程序佔用一個 CPU 核心啊，由於 CPU 核心是有限的，人的需求是無限的。

因此操做系統就須要將無限（誇張一下）的應用程序，分配到有限的 CPU 上去。

當咱們打開一堆程序時，這些程序就會被加載到內存上，爲了讓這些運行的程序與沒有打開的程序做區分，咱們創造了進程（Process）這個名詞。因此，進程就是對運行的程序的一種抽象，具備動態性。進程管理其實就是操做系統經過某種方式，管理咱們已經打開的程序。

注：爲了簡化後面的討論，咱們假設所說的計算機是單核的。

進程的狀態有哪幾種？

講到進程，咱們必然須要瞭解進程狀態，想要了解進程的狀態，咱們就得從進程的角度，看一看進程的一輩子會發生什麼。

首先，用戶打開某個應用程序，這個程序就處於新建態（New），這個時候操做系統尚未爲這個程序作好準備工做，這個進程自身尚未進入內存，可能還留在磁盤裏。

等到這個進程被加載進內存，就表明它已經準備好運行了，但由於 CPU 資源正被別的進程佔用，它只能等待操做系統爲它分配 CPU。這個狀態稱爲就緒態（Ready）。

在就緒態一段時間後，總會分配到 CPU 資源，一旦進程開始執行，它就進入了運行態（Running）。

有的進程可能會執行某些阻塞操做，就拿 I/O 操做來舉例子，執行操做後，進程須要等待 I/O 操做完成，第一篇文章講過，進程在這段時間內是沒法使用 CPU 的，若是讓它繼續佔用 CPU，就形成了資源浪費。因此操做系統會剝奪它的 CPU 使用權，並把它放在阻塞態。等到 I/O 操做結束後，再將其放入就緒態。

還有最後一種狀態——退出態，顧名思義，進程終止後，就會進入退出態，這個進程可能尚未從內存中清理出去。等到進程徹底退出內存，進程的一輩子就完全結束了。

綜合以上的討論，咱們獲得了進程的 5 種狀態：

細心的讀者可能會發現，運行態到阻塞態，以及阻塞態到就緒態之間的箭頭是單向的。爲何？

先來看看運行態和阻塞態。回憶一下，一個進程處於阻塞態表明什麼？（但願你看到這確實停下來思考了）

一個進程處於阻塞態，表明進程執行了某個阻塞操做，正在等待操做的結果。也就是說，處於阻塞態的進程沒有使用 CPU 的能力，因此即便給了它 CPU 它也沒辦法運行，天然沒法進入執行狀態。因此從阻塞態是沒法直接跳到運行態的。

再來講說就緒態和阻塞態。若是一個進程位於就緒態，說明它如今沒有使用 CPU，因此更不可能執行阻塞操做。所以從就緒態也不能直接跳轉到阻塞態。

結合剛剛的解釋，咱們來看看一個簡單的進程的排隊模型：

圖中的 ABCDEF 表明了進程

要注意的是，就緒態，運行態和阻塞態提供了一種描述進程行爲的系統方法，指導了操做系統的實現，許多實際的操做系統都是按照這樣的三種狀態進行具體構造的。但這不表明就沒有其餘狀態的立錐之地了，在一些實現中（實際上是主流實現，但因爲牽扯到虛擬內存的概念，因此留到之後講解），還有掛起態等狀態。但無論哪一種狀態，他們都是爲了操做系統可以最大化利用計算機資源而抽象出來的。

留幾個小問題作思考：

1. 爲何只有從運行態才能轉換到退出態？
2. 你能看懂上圖排隊模型嗎？

PCB 是什麼東西？

操做系統在管理和控制進程的時候，首先必須知道進程的位置（即進程被加載到哪一塊內存了），其次，它還須要知道進程的屬性，如進程 ID，進程狀態等，因此咱們就得有一個結構可以保存這些信息。

進程控制塊（Process Control Block）就是這麼一個結構。進程控制塊會在程序啓動時就被建立出來。

進程控制塊的主要內容及內存映像（字醜勿怪）

咱們能夠看到，PCB 中存儲着進程 ID，寄存器狀態，棧指針等重要信息，這些信息如今看來很是陌生，但之後隨着你對操做系統理解的加深，你就會理解這些信息的含義和做用。

圖中還有一個信息，那就是 PCB 存儲在內核空間——代表只有操做系統有權利更改 PCB 裏面的內容。由於 PCB 過重要了，若是其內部信息被惡意修改，將形成進程意外終止，甚至可能致使操做系統的崩潰。

總結

讓咱們來串一下今天的內容：

若是一個程序開始運行，那麼操做系統就會爲其建立一個進程控制塊，並將其加載到內存中，進程控制塊內的「進程狀態」信息會更改成就緒態，並將進程放入就緒隊列等待分配 CPU。一旦分得 CPU，進程就進入運行態，根據實際狀況，還可能由於執行阻塞操做而進入阻塞態，等到程序運行完畢，進程就被操做系統清出內存，而後刪除其進程控制塊。

若是看完上一段，對黑體字的概念還很模糊，那我建議你再慢慢看一遍文章，並且必定要帶上本身的思考，沒有通過思考的閱讀的效率是很低的。

但願你在看完文章以後有所收穫。感謝你的閱讀，咱們後會有期！

聲明：原創文章，未經受權，禁止轉載