• 前言
• 進(jìn)程與操作系統(tǒng)的關(guān)系
• 進(jìn)程初識(shí)

前言

這是一篇我在學(xué)習(xí)OSTEP這本書的筆記與總結(jié)，這篇筆記的正文部分圍繞進(jìn)程贊開，主要討論“是什么”與“為什么”兩個(gè)問題，筆記如有錯(cuò)漏，望不吝糾正。

進(jìn)程與操作系統(tǒng)的關(guān)系

進(jìn)程是操作系統(tǒng)里的核心之一，在OSTEP中對(duì)進(jìn)程在操作系統(tǒng)中扮演的角色給出了以下解釋：

進(jìn)程是操作系統(tǒng)中分配資源最小的單位。

在這段描述中有一些關(guān)鍵點(diǎn)：資源與最小單位。在看到這段描述后，我就在想“資源”是什么？比進(jìn)程大的資源分配單位有哪些？接下來，我來一一進(jìn)行解釋。

1. 為進(jìn)程分配的資源有什么？

   1. 內(nèi)存資源
      • 每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間，這里獨(dú)立性的主要表現(xiàn)有：每個(gè)進(jìn)程擁有的物理內(nèi)存是分隔開的，不重疊的。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了避免A進(jìn)程的行為對(duì)B進(jìn)程產(chǎn)生影響。
      • 內(nèi)存空間被分成主要三個(gè)部分：
        1. 指令段：用于存放進(jìn)程擁有的指令序列，該段的訪問權(quán)限是只讀的，這樣做是為了避免進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修改，導(dǎo)致程序出現(xiàn)開發(fā)者非預(yù)期的行為。
        2. 數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段分為兩個(gè)部分:全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)、堆區(qū)。全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)用于存放程序的全局?jǐn)?shù)據(jù)。比如：c語言中的全局變量的值就存儲(chǔ)在這里。堆區(qū)用于提供用戶使用如malloc時(shí)申請(qǐng)的空間。
        3. 棧區(qū)：棧區(qū)用于存儲(chǔ)在函數(shù)調(diào)用過程中的局部變量，
   2. 內(nèi)核資源
      • 操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程分配了如PCB，信號(hào)量，消息隊(duì)列等用于管理進(jìn)程的必要資源。這里我主要介紹PCB。
      • PCB的中文名稱是進(jìn)程控制塊，用于存儲(chǔ)描述進(jìn)程的重要信息。如：進(jìn)程ID，進(jìn)程狀態(tài)，進(jìn)程的上下文等等。
   3. CPU時(shí)間片
      • CPU時(shí)間片是操作系統(tǒng)用來管理進(jìn)程使用CPU時(shí)長的信息，結(jié)合進(jìn)程調(diào)度程序來完成對(duì)進(jìn)程的合理調(diào)度。

2. 比進(jìn)程大的資源分配單位有哪些？

   • 在操作系統(tǒng)中比進(jìn)程大的資源分配單位有：作業(yè)、會(huì)話等，對(duì)于這些概念在此就不詳細(xì)展開了，感興趣的可以向DeepSeek提問。

進(jìn)程初識(shí)

現(xiàn)在讓我們回到關(guān)于進(jìn)程的問題中，前文我們聊了進(jìn)程與操作系統(tǒng)的關(guān)系，那么，接下來來聊聊關(guān)于進(jìn)程本身的問題吧！
當(dāng)我們第一次聽到進(jìn)程這個(gè)詞時(shí)，大概會(huì)產(chǎn)生這樣的疑惑，進(jìn)程是什么？為什么要提出進(jìn)程的概念？進(jìn)程與我們平時(shí)寫的程序有什么關(guān)系？現(xiàn)在我們來一一解釋這些疑問。

1. 進(jìn)程是什么？
   • 對(duì)于這個(gè)問題我的解釋是:進(jìn)程是程序加載到內(nèi)存后，在CPU中執(zhí)行的過程。這里的關(guān)鍵詞是過程，進(jìn)程不像程序是一直存儲(chǔ)在硬盤中與其他的硬件或程序是沒有任何交互的，它在每時(shí)每刻都在與其余硬件和進(jìn)程進(jìn)行互動(dòng)，DeepSeek對(duì)該問題的回答中使用了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)這兩個(gè)詞來描述進(jìn)程與程序的聯(lián)系。
   • 在聊進(jìn)程的時(shí)候，程序不可避免的引入了進(jìn)來。因此，在此也談?wù)劤绦虻南嚓P(guān)問題。
     1. 程序是什么呢？
        • 程序是存儲(chǔ)在磁盤里的一條條機(jī)器指令構(gòu)成的集合。
     2. 程序與的進(jìn)程的聯(lián)系是怎樣的？
        • 程序就好像是一個(gè)菜譜，它記錄了做某一道菜的每個(gè)步驟。而進(jìn)程則是照著這個(gè)菜譜做菜的過程，這個(gè)過程中除了有菜譜上描述的步驟，還有與這些步驟交互的廚具，如：裝菜的籃子，炒菜的灶臺(tái)等等。
2. 進(jìn)程概念的產(chǎn)生在歷史上的原因
   • 在1960年之前的計(jì)算機(jī)，執(zhí)行程序的方式是串行執(zhí)行。串行執(zhí)行就是當(dāng)一個(gè)程序執(zhí)行完成后，再執(zhí)行另一個(gè)程序。使用這種執(zhí)行方式的原因主要是因?yàn)橛布Y源的不足，如：CPU的執(zhí)行速度過慢、內(nèi)存空間的太小等等。但隨著硬件的發(fā)展，CPU的運(yùn)行速度與內(nèi)存空間的大小大幅提升。此時(shí)，計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)者們就開始思考怎樣提高在單位時(shí)間上的硬件利用率^[1]。其中有一個(gè)思路是讓多個(gè)程序交替在內(nèi)存中運(yùn)行，而為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)者們要面臨一系列的問題，而這些問題都與程序在CPU上的運(yùn)行過程有關(guān)，其中有幾個(gè)要素是需要格外關(guān)注的，如：程序在內(nèi)存中的指令集、程序在CPU的寄存器中的狀態(tài)、程序與程序之間在物理空間上的關(guān)系等等。而為了方便描述與解決這些問題就需要一個(gè)東西，這個(gè)東西要將這些關(guān)鍵要素關(guān)聯(lián)為一個(gè)整體，這個(gè)東西的名稱便是進(jìn)程。

最后，談?wù)勥M(jìn)程的幾種基本狀態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)是很重要的，因?yàn)閷?duì)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度時(shí)，需要依賴這些狀態(tài)信息。

3. 進(jìn)程的基本狀態(tài)

   • 運(yùn)行：運(yùn)行狀態(tài)是指當(dāng)進(jìn)程正在使用CPU時(shí)處于的狀態(tài)。
   • 阻塞：阻塞狀態(tài)是指當(dāng)進(jìn)程在等待I/O請(qǐng)求或其他事件時(shí)處于的狀態(tài)。
   • 就緒：就緒狀態(tài)指進(jìn)程除了CPU資源其他的所有所需的都就緒時(shí)處于的狀態(tài)。

4. 狀態(tài)轉(zhuǎn)化的觸發(fā)條件

   1. 運(yùn)行->阻塞
      • 當(dāng)使用系統(tǒng)調(diào)用獲取外部存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生。
      • 示例：使用系統(tǒng)調(diào)用read()，在讀取磁盤數(shù)據(jù)時(shí)需要停止使用CPU。
   2. 阻塞->就緒
      • 當(dāng)發(fā)出的請(qǐng)求有回應(yīng)或者讀取的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)。
   3. 就緒->運(yùn)行
      • 當(dāng)該進(jìn)程被調(diào)度程序選中，便會(huì)開始使用CPU。