在 操作系统学习笔记-1：基础概念) 中，我们介绍了与操作系统相关的一些概念，在 操作系统学习笔记-2：体系结构设计和运行机制) 中，我们又介绍了操作系统的结构设计和运行机制，从这篇笔记开始，我们会逐一讲解操作系统的各个基本功能。
一切围绕这张图来进行：
1. 关于进程
1.1 进程：
为了方便操作系统管理，对并发执行的各个程序加以控制和描述，引入了进程的概念。
1.2 PCB：
定义：
之前的单道批处理系统，程序是串行执行的，内存中可能只需要记录单一程序的程度段和数据段即可；但是现在使用的是多道批处理系统，多个程序并发执行，内存中就可能存在多个程序自己的程序段和数据段，那么这时候就需要一个管理单元对这些东西加以区分、描述和管理，所以就额外多了一个进程控制块，也就是 PCB（process control block）。
系统会为每一个运行的程序分配 PCB 这么一个数据结构，用以描述进程的各种信息。PCB 是进程存在的唯一标志，进程与 PCB 是一一对应的的。
PCB 记录了关于进程的信息，这些信息包括：
- 进程标识符：外部内部各一个
- 处理机状态：通用寄存器、指令计数器、程序状态字 PSW，用户栈指针
- 进程调度信息：进程状态、进程优先级、其它的进程调度信息
- 进程控制信息：程序和数据的地址、进程同步和通信机制、资源清单、链接指针
1.3 进程实体：
程序段（程序代码）、数据段（变量、常量等），PCB（相关的管理信息） 共同构成了进程实体（进程映像）。一般认为 进程实体 === 进程 === PCB
PS：下文提到的多个进程的组织方式，也可以说就是多个 PCB 的组织方式
1.4 进程与程序的对比：
- 进程是动态的（程序的执行），程序是静态的（有序代码的集合）
- 进程是暂时的，程序是永久的
- 进程和程序的组成不同
- 通过多次执行，一个程序可以对应多个进程；通过调用关系，一个进程可以包括多个程序
2. 进程的组成和组织
2.1 单个进程的组成
- 进程描述信息：进程标识符PID（区分不同进程）用户标识符 UID（区分不同用户）
- 进程控制和管理信息：进程当前状态、进程优先级
- 资源分配清单：程序段指针、数据段指针、键鼠
- 处理机相关信息：各种寄存器的值
2.2 多个进程的组织方式
链接方式：
按照进程状态将 PCB 分为多个队列，OS 持有指向各个队列的指针（执行指针、就绪队列指针、阻塞队列指针）
索引（线性）方式：
按照进程状态建立几张索引表，OS 持有指向各个索引表的指针（执行指针、就绪表指针、阻塞表指针）
3. 进程的特征
- 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
- 并发性：内存中有多个进程实体，各个进程可以并发执行
- 独立性：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
- 异步性：各个进程以独立的、不可预知的速度推进
- 结构性：每个进程都有一个自己的 PCB，进程由程度段、数据段、PCB 构成
4. 进程的状态/生命周期
4.1 五种基本状态：
① 创建态：初始化 PCB，为进程分配系统资源
② 就绪态：PCB 修改相应内容并被送到就绪队列。万事俱备（运行需要的条件都有了），只欠东风（只等 CPU 调度自己）
③ 运行态： PCB 修改相应内容，出队（可能还会恢复进程运行环境）。该进程此时占有 CPU 使用权，在 CPU 上运行（对于单核处理器，一个时刻只会有一个进程）
④ 阻塞态（等待态）：进程进行系统调用，或者等待事件发生时，进入阻塞态，PCB 修改相应内容并被送到相应事件的阻塞队列
⑤ 终止态（结束态）：回收为进程分配的资源，撤销 PCB
PS：由于事件有多个，所以阻塞队列一般也是有多个的，一个事件对应一个阻塞队列。而就绪队列就只有一个了。
4.2 进程状态的转换：
4.3 引入挂起操作后
（1）挂起：
前面所说的状态转换，是建立在内存资源够用的情况下 —— 当系统资源尤其是内存资源不够时，就需要将一些进程挂起（suspend），对换到外存中。
（2）原因：
引起进程挂起的原因是多样的，主要有：
- 系统中的进程均处于阻塞态，处理器空闲，此时需要把一些阻塞进程对换出去，以腾出足够的内存装入就绪进程运行。
- 进程竞争资源，导致系统资源不足，负荷过重，此时需要挂起部分进程以调整系统负荷，保证系统的实时性或让系统正常运行。
- 把一些定期执行的进程（如审计程序、监控程序、记账程序）对换出去，以减轻系统负荷。
- 用户要求挂起自己的进程，以便根据中间执行情况和中间结果进行某些调试、检查和改正。
- 父进程要求挂起自己的后代进程，以进行某些检查和改正。
- 操作系统需要挂起某些进程，检查运行中资源使用情况，以改善系统性能；或当系统出现故障或某些功能受到破坏时，需要挂起某些进程以排除故障。
（3）状态转换
引入挂起操作后，在原来五种状态的基础上多了两个状态：就绪态变成了活动就绪态，且多了一个“静止就绪态/挂起就绪态“；原来的阻塞态变成了活动阻塞态，且多了一个“静止阻塞态/挂起阻塞态“。
状态 | 解释 |
|---|---|
活动就绪态 → 静止就绪态 | 操作系统根据当前资源状况和性能要求，可能会把活动就绪态对换出去，成为静止就绪态。处于静止就绪态的进程不再被调度执行； |
静止就绪态 → 活动就绪态 | 内存中没有进程处于活动就绪态，或者处于静止就绪态的进程具有更高的优先级，那么静止就绪态就会被对换回来，此时才可能被调度执行 |
活动阻塞态→ 静止阻塞态 | 操作系统根据当前资源状况和性能要求，可能会把活动阻塞态对换出去，成为静止阻塞态。 |
静止阻塞态→ 静止就绪态 | 常见的情况是，引起进程等待的事件发生之后，相应的静止阻塞态进程将转换为静止就绪态 |
静止阻塞态→ 活动阻塞态 | 但有时候，如果静止阻塞态进程的优先级高于静止就绪队列中的任何进程、并且系统有把握它等待的事件即将完成，那么就会激活为活动阻塞态 |
运行态→ 静止就绪态 | 优先级较高的静止阻塞态在等待的事件完成后，可能会抢占 CPU，若此时资源不够，则可能导致正在运行的进程挂起为静止就绪态 |
创建态→ 静止就绪态 | 操作系统根据当前资源状况和性能要求，可能会在进程创建完就把它对换到外存 |
PS：进程一旦被挂起，就意味着它被对换到了外存中，此时该进程无法再被 CPU 直接调度，除非它被对换回内存中，回到活动就绪态。比如静止就绪态、静止阻塞态，最后要得到 CPU 的调度，都必须经历回归到活动就绪态的过程。
那么一个状态具体是如何切换到另一个状态的呢？
5. 进程的控制
在前面我们已经说过，进程的生命周期有多个状态，而状态的切换实质上是通过修改 PCB 的信息、让 PCB 出队或者入队来实现的，但是是谁来控制这个过程呢？—— 答案就是进程控制，进程控制指的是对系统中所有进程，从创建到终止的全过程实行的管理和控制。而进程控制是通过操作系统内核的 原语操作 来实现的。
操作系统内核一览，其中一个核心就是原语操作
原语（Primitive）其实就是程序 —— 由若干条机器指令构成，用以完成特定功能的一段程序。原语操作属于原子操作（Atomic operation），具有不可中断性，一旦执行就不允许被打断。这种原子操作是依靠关中断指令实现的，在关中断指令下，即使有中断信号发射过来，也不会调用中断处理程序去处理中断，这就保证了原语操作不会被打断。而在开中断指令下，才会去处理中断。
原语的基本操作无非三个：
- 更新 PCB 中的信息（修改进程状态标志、保存当前运行环境到 PCB、从 PCB 中恢复运行环境）
- 将 PCB 插入到合适的队列
- 分配/回收资源
创建原语和撤销原语配对，阻塞原语和唤醒原语配对，所以这里我们放在一起讲。
（1）创建原语
创建原语负责创建进程，具体包括：申请空白的 PCB，为新进程分配所需资源、初始化 PCB、将 PCB 插入到就绪队列。
引起进程创建的事件一般有四种：
- 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新的进程
- 作业调度：多道批处理系统中，从作业队列取出作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
- 提供服务：用户向操作系统请求服务时，会创建一个进程来处理请求
- 应用请求：应用/用户进程主动请求创建一个子进程
（2）撤销原语
撤销进程负责终止进程，具体包括：从 PCB 集合中找到终止进程的 PCB，如果进程正在运行，则立即将它的 CPU 使用权移交给其它进程。接着终止它的所有子进程，将该进程的资源还给父进程或者操作系统，最后再删除 PCB。
引起进程终止的事件一般有三类：
- 正常结束
- 异常结束
- 外界干预
（3）阻塞原语
阻塞原语负责让进程从运行态转换到阻塞态，具体包括：找到要阻塞的进程的 PCB，保存当前运行环境到 PCB（方便后续恢复），修改 PCB 状态信息。接着暂停进程的运行，将 PCB 插入相应事件的等待队列
引起进程阻塞的事件一般是：
- 等待系统分配资源
- 请求系统某些服务（比如打印服务）
- 启动某种操作（比如 I/O 操作）
- 新数据尚未到达
- 无新工作可做
注意：前面我们说过，进程从运行态切换到阻塞态，是一个主动的过程，这个主动体现在是进程自己调用了阻塞原语
（4）唤醒原语
唤醒原语负责让阻塞的进程重新回到就绪态，具体包括：在事件等待队列中找到 PCB，让他出队，修改 PCB 的状态信息，再将 PCB 插入到就绪队列，等待 CPU 对他进行调度
一般在等待的事件发生时，进程就会被唤醒。
注意：前面我们说过，进程从阻塞态切换到运行态，是一个被动的过程，这个被动体现在并不是进程自己调用了唤醒原语，而是“合作”进程进行了调用（比如说 I/O 进程）
（5）切换原语
前面的原语主要都是操作一个进程，而切换原语同时操作到了两个进程。
切换原语负责让当前运行的进程从 A 切换为 B，具体包括：
- 一方面，将 A 的运行环境保存到 PCB 中，再将其 PCB 移入到相应的队列（如果当前进程是从运行态到阻塞态，那么就进入等待队列；如果是从运行态到就绪态，那么就进入就绪队列）
- 另一方面，选择 B 进程运行，更新其 PCB，同时可能会恢复其运行环境（考虑到 B 进程此前可能曾处于阻塞态）
引起进程切换的事件一般有四种：
- 当前进程的时间片被消耗完
- 有更高优先级的进程到达，抢占了当前进程正在使用的 CPU
- 当前进程主动阻塞
- 当前进程终止
（6）挂起原语和激活原语
挂起原语：
将进程从内存对换到外存，具体包括：找到需要挂起的进程的 PCB，检查它的状态并做相应操作（运行态、活动就绪态 ——> 静止就绪态，活动阻塞态 ——> 静止阻塞态），之后将该 PCB 复制到指定的内存区域。
引起进程挂起的事件，比如，用户进程请求将自己挂起，或父进程请求将自己的某个子进程挂起
激活原语：
将进程从外存对换回内存，检查该进程的现行状态并进行相应操作（静止就绪态——>活动就绪态，静止阻塞 ——> 活动阻塞态）。引起进程激活的事件，比如，父进程或用户进程请求激活指定进程，或者是某个进程驻留在外存而内存中已有足够的空间
参考：
进程的状态转换
