說明： 全文大部分都是《操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理 第八版》的原文，自己做了一些刪改，使其更易于理解。

如果說操作系統(tǒng)是圍繞進(jìn)程這一概念創(chuàng)建的，有些言過其實(shí)，但進(jìn)程在操作系統(tǒng)中的地位也至少是舉足輕重的。

計(jì)算機(jī)的目的是要完成任務(wù)，而任務(wù)的完成需要一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行。操作系統(tǒng)維護(hù)了這些進(jìn)程的運(yùn)行，因?yàn)檫M(jìn)程之間不但需要配合和調(diào)度，也需要使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源（操作系統(tǒng)抽象了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源，如文件系統(tǒng)，內(nèi)存，網(wǎng)絡(luò)接口等等），使用相同的資源可能就會產(chǎn)生沖突，操作系統(tǒng)就需要調(diào)節(jié)。在第5節(jié)，你將看到圍繞進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的各種不同的操作系統(tǒng)的方法。

主要內(nèi)容：

• 操作系統(tǒng)表示和控制進(jìn)程的方式
• 進(jìn)程狀態(tài)，進(jìn)程狀態(tài)描述進(jìn)程的行為特征
• 操作系統(tǒng)表示每個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• 操作系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)所需要的進(jìn)程的其他特征
• 操作系統(tǒng)使用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制進(jìn)程的方式
• 一個(gè)例子：UNIX SVR4中的進(jìn)程模型

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1.什么是進(jìn)程

可以把進(jìn)程視為由一組元素組成的實(shí)體，進(jìn)程的兩個(gè)基本元素是：

• 程序代碼
• 代碼關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集

如果進(jìn)程處在運(yùn)行之中，又由以下元素來表征：

標(biāo)識符

狀態(tài)

優(yōu)先級

程序計(jì)數(shù)器

內(nèi)存指針：包括程序代碼和進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)指針，以及與其他進(jìn)程共享內(nèi)存塊指針

上下文數(shù)據(jù)： 處理器寄存器中的值

I/O狀態(tài)信息

記賬信息：包括處理器時(shí)間總和，使用的時(shí)鐘數(shù)總和，時(shí)間限制，記賬號

以上信息存放在一個(gè)稱為進(jìn)程控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，在后面我們將會看到進(jìn)程控制塊遠(yuǎn)不止只有這些信息。進(jìn)程控制塊由操作系統(tǒng)創(chuàng)建和管理。

進(jìn)程由程序代碼及其相關(guān)數(shù)據(jù)以及進(jìn)程控制塊組成，稱為進(jìn)程映像。

進(jìn)程控制塊包含了進(jìn)程的充分信息，計(jì)算機(jī)中斷后，會把程序計(jì)數(shù)器和處理器寄存器保存到進(jìn)程控制塊的相應(yīng)位置，如果不修改進(jìn)程狀態(tài)，再次運(yùn)行的時(shí)候，程序計(jì)數(shù)器和處理器寄存器值恢復(fù)。

2.進(jìn)程狀態(tài)

在本節(jié)中我們將通過對進(jìn)程狀態(tài)的描述和探索，來建立一個(gè)進(jìn)程行為模型，并為操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供系統(tǒng)方法。

2.1 兩狀態(tài)進(jìn)程模型：

我們知道進(jìn)程要么正在執(zhí)行要么不在執(zhí)行，所以我們可以構(gòu)建最簡單的模型，進(jìn)程可處于兩種狀態(tài)：運(yùn)行態(tài)和未運(yùn)行態(tài)。那么我們就知道了，操作系統(tǒng)必須要以某種方式來表示每個(gè)進(jìn)程，使得操作系統(tǒng)可以跟蹤到它，這里給出了一個(gè)簡單的模型：

圖中隊(duì)列元素指向某個(gè)進(jìn)程，等待著被調(diào)度執(zhí)行。這只是最簡單的操作系統(tǒng)進(jìn)程控制模型，我們知道這樣的模型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在對兩狀態(tài)模型進(jìn)行改進(jìn)之前，我們來了解一下進(jìn)程的創(chuàng)建和終止，因?yàn)闊o論使用哪種模型，進(jìn)程的生存其都是圍繞著進(jìn)程的創(chuàng)建和終止。

關(guān)于創(chuàng)建：

進(jìn)程的創(chuàng)建過程：

• 將一個(gè)新進(jìn)程添加到正被管理的進(jìn)程集。
• 操作系統(tǒng)建立管理進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)存中分配地址空間。

以上兩點(diǎn)構(gòu)成了進(jìn)程的創(chuàng)建過程，詳細(xì)過程可以查看4.2。

觸發(fā)進(jìn)程創(chuàng)建的事件：

• 新的批處理作業(yè)：磁帶或磁盤中的批處理作業(yè)控制流通常會提供給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)準(zhǔn)備接收新工作時(shí)，將讀取下一個(gè)作業(yè)控制命令。
• 交互登錄：終端用戶登錄到系統(tǒng)
• 為提供服務(wù)而由操作系統(tǒng)創(chuàng)建：操作系統(tǒng)可以創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，代表用戶程序執(zhí)行一個(gè)功能，使用戶無須等待（如控制打印的進(jìn)程）
• 由現(xiàn)有進(jìn)程派生：基于模塊化的考慮或開發(fā)并行性，用戶程序可以指示創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程

關(guān)于終止：

任何一個(gè)計(jì)算機(jī)都必須為進(jìn)程提供表示其完成的方法。比如用戶結(jié)束一個(gè)應(yīng)用程序，將會給操作系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)服務(wù)請求，以終止發(fā)出請求的進(jìn)程。進(jìn)程除了正常完成終止外，還包括
程序內(nèi)部故障條件和錯(cuò)誤導(dǎo)致進(jìn)程終止：

• 超過時(shí)限，無可用內(nèi)存，內(nèi)存訪問超出范圍，保護(hù)系統(tǒng)資源錯(cuò)誤，算術(shù)錯(cuò)誤，I/O失敗，無效指令，特權(quán)指令，數(shù)據(jù)誤用。

外部干涉終止：

• 操作員或操作系統(tǒng)干涉（如出現(xiàn)死鎖），父進(jìn)程終止，父進(jìn)程請求終止子進(jìn)程。

2.2 五狀態(tài)進(jìn)程模型（改進(jìn)一）：

如果所有進(jìn)程都做好了執(zhí)行的準(zhǔn)備，那么兩狀態(tài)進(jìn)程模型給出的排隊(duì)原則是有效的，但是我們知道

• 有些進(jìn)程可能在阻塞等待I/O之中，
• 使用單個(gè)隊(duì)列的話，我們不能只考慮選擇隊(duì)列中最老的進(jìn)程，而是應(yīng)該掃描這個(gè)列表，選擇未被阻塞且在隊(duì)列中時(shí)間最長的進(jìn)程

所以我們將兩狀態(tài)進(jìn)程模型中的非運(yùn)行態(tài)分為就緒態(tài)和阻塞態(tài)，此外還增加了兩個(gè)很有用的狀態(tài)，他們一共組成了以下五個(gè)狀態(tài)：

運(yùn)行態(tài)：進(jìn)程正在執(zhí)行。本章中假設(shè)計(jì)算機(jī)只有一個(gè)處理器，因此一次最多只有一個(gè)進(jìn)程處于這一狀態(tài)。

就緒態(tài)：進(jìn)程做好了準(zhǔn)備，只要有機(jī)會就開始執(zhí)行。

阻塞/等待態(tài)：進(jìn)程在某些事件發(fā)生前不能執(zhí)行，如I/O操作完成。

新建態(tài)：剛剛創(chuàng)建的進(jìn)程，操作系統(tǒng)還未把它加入可執(zhí)行進(jìn)程組，它通常是進(jìn)程控制塊已經(jīng)創(chuàng)建但還未加載到內(nèi)存中的新進(jìn)程。

退出態(tài)：操作系統(tǒng)從可執(zhí)行進(jìn)程組中釋放出的進(jìn)程，要么它自身已停止，要么它因某種原因被取消。退出態(tài)為輔助程序（可能是統(tǒng)計(jì)進(jìn)程信息或則其他功能）提供了提取信息的時(shí)間，如果信息提取完成，那么將會從系統(tǒng)刪除進(jìn)程。

這里再給給出圖中未畫出的兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換說明：

• 就緒->退出：為清楚起見，狀態(tài)圖中未表示這種轉(zhuǎn)換。在某些系統(tǒng)中，父進(jìn)程可在任何時(shí)刻終止一個(gè)子進(jìn)程。如果父進(jìn)程終止，那么與該父進(jìn)程相關(guān)的所有子進(jìn)程都將被終止。
• 阻塞->退出：前一項(xiàng)給出了注釋。

對五狀態(tài)進(jìn)程模型的再改進(jìn)：

既然有了阻塞態(tài)，為了更加高效的進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，我們可以維護(hù)兩個(gè)隊(duì)列：就緒隊(duì)列和阻塞隊(duì)列。進(jìn)入系統(tǒng)的每個(gè)進(jìn)程都放置在就緒隊(duì)列中，當(dāng)操作系統(tǒng)選擇另一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，將從就緒隊(duì)列中進(jìn)行選擇。對于無優(yōu)先級的方案，這可以是一個(gè)簡單的先進(jìn)先出隊(duì)列。當(dāng)一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程被移出處理器時(shí)，它根據(jù)情況要么終止，要么放置在就緒或阻塞隊(duì)列中。最后，當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，所有位于阻塞隊(duì)列中等待該事件的進(jìn)程都被放到就緒隊(duì)列中。

但是這里我們可以非常容易的想到在阻塞隊(duì)列中當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，操作系統(tǒng)必須掃描整個(gè)阻塞隊(duì)列，搜索那些等待該事件的進(jìn)程。在大型操作系統(tǒng)中，隊(duì)列中可能有幾百甚至幾千個(gè)進(jìn)程，此時(shí)擁有多個(gè)隊(duì)列將會很有效，一個(gè)事件可以對應(yīng)一個(gè)隊(duì)列。因此，事件發(fā)生時(shí)，相應(yīng)隊(duì)列中的所有進(jìn)程都將轉(zhuǎn)換到就緒態(tài)。

依照此思想，我們還可以維護(hù)多個(gè)就緒隊(duì)列，每個(gè)優(yōu)先級一個(gè)隊(duì)列，將會帶來很大的便利。操作系統(tǒng)很容易就可確定哪個(gè)就緒進(jìn)程具有最高優(yōu)先級且等待時(shí)間最長。

2.3 進(jìn)程掛起態(tài)的加入（改進(jìn)二）

交換的需要
前面介紹的三個(gè)基本狀態(tài)（就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)和阻塞態(tài)）提供了一種為進(jìn)程行為建立模型并指導(dǎo)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)方法。許多實(shí)際的操作系統(tǒng)都是按照這三種狀態(tài)具體構(gòu)建的。

但是，我們可以證明向模型中增加其他狀態(tài)也是合理的。為了說明加入新狀態(tài)的好處，考慮一個(gè)未使用虛存的系統(tǒng)，每個(gè)被執(zhí)行的進(jìn)程必須完全載入內(nèi)存。

回憶可知，機(jī)器變得復(fù)雜的原因是，I/O活動(dòng)遠(yuǎn)慢于計(jì)算速度使得單道程序系統(tǒng)中的處理器大多數(shù)時(shí)間處于空閑狀態(tài)。此時(shí)，內(nèi)存中保存有多個(gè)進(jìn)程，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被阻塞時(shí)，處理器可移向另一個(gè)進(jìn)程，但由于處理器遠(yuǎn)快于I/0，會出現(xiàn)內(nèi)存中的所有進(jìn)程都在等待I/O的現(xiàn)象。因此，即便是多道程序設(shè)計(jì)，處理器多數(shù)時(shí)間仍可能處于空閑狀態(tài)。

• 解決方案之一是擴(kuò)充內(nèi)存來容納更多的進(jìn)程，但這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)。首先是內(nèi)存的價(jià)格問題，當(dāng)內(nèi)存大小增加到兆位及千兆位時(shí)，價(jià)格也會隨之增加；其次是程序?qū)?nèi)存空間需求的增長速度要快于內(nèi)存價(jià)格的下降速度。因此，更大的內(nèi)存往往會導(dǎo)致更大的進(jìn)程而非更多的進(jìn)程。

• 解決方案之二是交換，即把內(nèi)存中某個(gè)進(jìn)程的一部分或全部移到磁盤中。當(dāng)內(nèi)存中不存在就緒態(tài)的進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)就把被阻塞的進(jìn)程換出到磁盤中的掛起隊(duì)列（suspend queue），即臨時(shí)從內(nèi)存中“踢出”的進(jìn)程隊(duì)列。操作系統(tǒng)此后要么從掛起隊(duì)列中取出另一個(gè)進(jìn)程，要么接受一個(gè)新進(jìn)程的請求，將其放入內(nèi)存運(yùn)行。

要使用前面介紹的交換，在進(jìn)程行為模型中必須增加另一個(gè)狀態(tài)：掛起態(tài)。當(dāng)內(nèi)存中的所有進(jìn)程都處于阻塞態(tài)時(shí)，操作系統(tǒng)可把其中的一個(gè)進(jìn)程置為掛起態(tài)，并將它轉(zhuǎn)移到磁盤，此時(shí)內(nèi)存所釋放的空間就可被調(diào)入的另一個(gè)進(jìn)程使用。操作系統(tǒng)執(zhí)行換出操作后，將進(jìn)程取到內(nèi)存中的方式有兩種：接納一個(gè)新近創(chuàng)建的進(jìn)程，或調(diào)入一個(gè)此前掛起的進(jìn)程。顯然，操作系統(tǒng)傾向于調(diào)入一個(gè)此前掛起的進(jìn)程，并為它提供服務(wù)，而非增加系統(tǒng)的總負(fù)載數(shù)。

但這一推理也帶來了一個(gè)難題，即所有已被掛起的進(jìn)程都處于阻塞態(tài)。顯然，這時(shí)把被阻塞的進(jìn)程取回內(nèi)存沒有任何意義，因?yàn)樗匀晃醋龊脠?zhí)行的準(zhǔn)備。這時(shí)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換為：

但是，由于每個(gè)掛起的進(jìn)程最初都阻塞在某個(gè)特定的事件上，因此發(fā)行該事件時(shí)，進(jìn)程將不再阻塞而可以繼續(xù)執(zhí)行，因此我們可以使用兩個(gè)掛起態(tài)，分別為就緒/掛起態(tài)，阻塞/掛起態(tài)。這時(shí)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換為：

在查看包含兩個(gè)新掛起態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖前，必須注意迄今為止的論述都假設(shè)未使用虛存，進(jìn)程要么都在內(nèi)存中，要么都在內(nèi)存外。使用虛存中，可能會執(zhí)行只有部分內(nèi)容在內(nèi)存中的進(jìn)程，若訪問的進(jìn)程地址不在內(nèi)存中，則將進(jìn)程的相應(yīng)部分調(diào)入內(nèi)存。使用虛存看上去不需要顯式交換，因?yàn)橥ㄟ^處理器中的存儲管理硬件，任何進(jìn)程中的任何地址都可移入或移出內(nèi)存。然而，若活動(dòng)進(jìn)程很多，且所有的進(jìn)程都有一部分在內(nèi)存中時(shí)，則可能會導(dǎo)致虛存系統(tǒng)崩潰。因此，即使是在虛存系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)也需要不時(shí)地根據(jù)執(zhí)行情況完全顯式地?fù)Q出進(jìn)程。

這里就以下幾個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換做出說明，其余請讀者自行理解：

• 就緒 -> 就緒/掛起：通常，操作系統(tǒng)更傾向于掛起阻塞態(tài)進(jìn)程而非就緒態(tài)進(jìn)程，因?yàn)榫途w態(tài)進(jìn)程可以立即執(zhí)行，而阻塞態(tài)進(jìn)程雖然占用了內(nèi)存空間但不能執(zhí)行。若釋放內(nèi)存來得到足夠空間的唯一方法是掛起一個(gè)就緒態(tài)進(jìn)程，則這種轉(zhuǎn)換也是必需的。 此外，若操作系統(tǒng)確信高優(yōu)先級的阻塞態(tài)進(jìn)程很快將會就緒，則它可能會選擇掛起一個(gè)低優(yōu)先級的就緒態(tài)進(jìn)程，而非一個(gè)高優(yōu)先級的阻塞態(tài)進(jìn)程。
• 阻塞/掛起 -> 阻塞：這種轉(zhuǎn)換在設(shè)計(jì)中很少見，原因是如果一個(gè)進(jìn)程未準(zhǔn)備好執(zhí)行且不在內(nèi)存中，調(diào)入它沒有意義。但此時(shí)要考慮如下情況：一個(gè)進(jìn)程終止后，會釋放一些內(nèi)存空間，而阻塞/掛起隊(duì)列中有一個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級要比就緒/掛起隊(duì)列中任何進(jìn)程的優(yōu)先級都高，并且操作系統(tǒng)有理由相信阻塞進(jìn)程的事件很快就會發(fā)生。這時(shí)，把阻塞進(jìn)程而非就緒進(jìn)程調(diào)入內(nèi)存是合理的。
• 運(yùn)行 -> 就緒/掛起：通常，當(dāng)一個(gè)運(yùn)行進(jìn)程的分配時(shí)間到期后，它將轉(zhuǎn)換到就緒態(tài)。但在阻塞/掛起隊(duì)列中具有較高優(yōu)先級的進(jìn)程不再被阻塞時(shí)，操作系統(tǒng)會搶占這個(gè)進(jìn)程，或直接把這個(gè)運(yùn)行進(jìn)程轉(zhuǎn)換到就緒/掛起隊(duì)形中，并釋放一些內(nèi)存空間。
• 各種狀態(tài) -> 退出：典型情況下，一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行終止，要么是它已完成運(yùn)行，要么是出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤條件。但在某些操作系統(tǒng)中，進(jìn)程可被父進(jìn)程終止，或在父進(jìn)程終止時(shí)終止。若這種情況允許，則進(jìn)程在任何狀態(tài)下都可轉(zhuǎn)換到退出態(tài)。

以上討論的是內(nèi)存的原因來掛起進(jìn)程，實(shí)際上它還有以下以及其他多種原因來掛起進(jìn)程，因此你也可以知道使用了掛起態(tài)的更多好處：

• 其他OS原因：操作系統(tǒng)可能掛起后臺進(jìn)程或工具程序進(jìn)程，或掛起可能會導(dǎo)致問題的進(jìn)程（如死鎖）
• 交互式用戶請求：用戶希望掛起一個(gè)程序的執(zhí)行，以便進(jìn)行調(diào)試或關(guān)聯(lián)資源的使用
• 定時(shí)：進(jìn)程可被周期性地執(zhí)行（如記賬或系統(tǒng)監(jiān)視進(jìn)程），并在等待下一個(gè)時(shí)間間隔時(shí)掛起
• 父進(jìn)程請求：父進(jìn)程可能會希望掛起后代進(jìn)程的執(zhí)行，以檢查或修改掛起的進(jìn)程，或協(xié)調(diào)不同后代進(jìn)程之間的行為

以上就是我們對進(jìn)程狀態(tài)的描述，以及我們最后構(gòu)造出的五狀態(tài)+兩掛起態(tài)進(jìn)程模型。操作系統(tǒng)可以依靠這個(gè)模型來構(gòu)建系統(tǒng)。那么操作系統(tǒng)要控制進(jìn)程在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，需要哪些信息？接下來我們就將討論這一基本問題，要控制進(jìn)程并管理資源，操作系統(tǒng)需要哪些信息，即進(jìn)程的描述。

3.進(jìn)程描述

3.1操作系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)為了管理進(jìn)程和資源，必須掌握每個(gè)進(jìn)程和資源的當(dāng)前狀態(tài)。普遍采用的方法是，操作系統(tǒng)構(gòu)造并維護(hù)其管理的每個(gè)實(shí)體的信息表。圖3.11給出了這種方法的大致范圍，即操作系統(tǒng)維護(hù)的4種不同類型的表：內(nèi)存、I/O、文件和進(jìn)程。盡管不同操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不同，但所有操作系統(tǒng)維護(hù)的信息基本都可以分為這4類。

• 內(nèi)存表（memory table）：用于跟蹤內(nèi)（實(shí)）存和外（虛）存。內(nèi)存的某些部分為操作系統(tǒng)保留，剩余部分供進(jìn)程使用，外存中保存的進(jìn)程使用某種虛存或簡單的交換機(jī)制。內(nèi)存表必須包含如下信息：
  ○ 分配給進(jìn)程的內(nèi)存。
  ○ 分配給進(jìn)程的外存。
  ○ 內(nèi)存塊或虛存塊的任何保護(hù)屬性，如哪些進(jìn)程可以訪問某些共享內(nèi)存區(qū)域。
  ○ 管理虛存所需要的任何信息。
• I/O表：管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的I/O設(shè)備和通道。在任意給定時(shí)刻，某個(gè)I/O設(shè)備要么可用，要么已分配給特定的進(jìn)程。正在進(jìn)行I/0操作時(shí)，操作系統(tǒng)需要知道I/O操作的狀態(tài)，以及作為I/O傳送的源與目標(biāo)的內(nèi)存單元。
• 文件表：操作系統(tǒng)還會維護(hù)文件表（file table）。文件表提供關(guān)于文件是否存在、文件在外存中的位置、當(dāng)前狀態(tài)和其他屬性的信息。大部分信息（非全部信息）可能由文件管理系統(tǒng)維護(hù)和使用。此時(shí)，操作系統(tǒng)僅有少許或沒有關(guān)于文件的信息；在其他操作系統(tǒng)中，文件管理的許多細(xì)節(jié)由操作系統(tǒng)本身管理。
• 進(jìn)程表：管理進(jìn)程，也是接下來的主要內(nèi)容

3.2 操作系統(tǒng)的進(jìn)程控制結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)在管理和控制進(jìn)程時(shí)，首先要知道進(jìn)程的位置，其次要知道進(jìn)程的屬性（如進(jìn)程ID、進(jìn)程狀態(tài)）。

進(jìn)程位置

進(jìn)程位置在處理進(jìn)程位置和屬性問題前，首先要解決一個(gè)更基本的問題：進(jìn)程的物理表示是什么？進(jìn)程最少必須包括一個(gè)或一組被執(zhí)行的程序，而與這些程序相關(guān)聯(lián)的是局部變量、全局變量和任何已定義常量的數(shù)據(jù)單元。因此，一個(gè)進(jìn)程至少應(yīng)有足夠的內(nèi)存空間來保存其的程序和數(shù)據(jù)。此外，程序的執(zhí)行通常涉及用于跟蹤過程調(diào)用和過程間參數(shù)傳遞的棧。最后，還有與每個(gè)進(jìn)程相關(guān)的許多屬性，以便操作系統(tǒng)控制該進(jìn)程。通常，屬性集稱為進(jìn)程控制塊（process control block）。程序、數(shù)據(jù)、棧和屬性的集合稱為進(jìn)程映像（process image）。這就解決了進(jìn)程的物理內(nèi)容是說明，也就才能在存儲設(shè)備上有位置這一概念。

進(jìn)程映像的位置取決于所用的內(nèi)存管理方案。在最簡單的情形下，進(jìn)程映像保存在相鄰的內(nèi)存塊中或連續(xù)的內(nèi)存塊中。存儲塊位于外存（通常是磁盤）中，因此在操作系統(tǒng)管理進(jìn)程時(shí)，其進(jìn)程映像至少應(yīng)有一部分位于內(nèi)存中。而要執(zhí)行該進(jìn)程，則必須將整個(gè)進(jìn)程映像載入內(nèi)存中或至少載入虛存中。因此，操作系統(tǒng)需要知道每個(gè)進(jìn)程在磁盤中的位置，并知道每個(gè)進(jìn)程在內(nèi)存中的位置。這在涉及到虛擬內(nèi)存的時(shí)候更加復(fù)雜。

圖3.11（上圖）給出了位置信息的結(jié)構(gòu)。有一個(gè)主進(jìn)程表，每個(gè)進(jìn)程在主進(jìn)程表中都有一個(gè)表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng)至少包含一個(gè)指向進(jìn)程映像的指針。如果進(jìn)程映像包括多個(gè)塊，則這一信息直接包含在主進(jìn)程表中，或通過交叉引用內(nèi)存表中的表項(xiàng)得到。當(dāng)然，這種描述是一般性描述，不同操作系統(tǒng)會按自身的方式來組織位置信息。

進(jìn)程屬性

由之前的敘述我們知道，進(jìn)程屬性保存在進(jìn)程控制塊之中。這里我們就簡要的介紹操作系統(tǒng)將會用到的信息。

進(jìn)程控制塊信息分為三類：

• 進(jìn)程標(biāo)識信息
• 進(jìn)程狀態(tài)信息
• 進(jìn)程控制信息

下圖是虛擬內(nèi)存中的進(jìn)程映像，雖然這里看起來是連續(xù)的，但是實(shí)際上可能并非如此，但是對于程序編寫者而言，這樣理解進(jìn)程的地址結(jié)構(gòu)就可以了，其他的操作系統(tǒng)會幫我們搞定。

此外我們可以看到在進(jìn)程控制塊中還有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息這一項(xiàng)，因此，可以使用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)進(jìn)程控制塊的鏈表，如下圖所示，當(dāng)然這種鏈表不是唯一的，例如你還可以將阻塞態(tài)的進(jìn)程分別掛到不同事件阻塞的隊(duì)列上：

進(jìn)程控制塊的保護(hù)

進(jìn)程控制塊的作用進(jìn)程控制塊是操作系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)進(jìn)程控制塊都包含操作系統(tǒng)所需進(jìn)程的所有信息。實(shí)際上，操作系統(tǒng)中的每個(gè)模塊，包括那些涉及調(diào)度、資源分配、中斷處理、性能監(jiān)控和分析的模塊，都能讀取和修改它們。我們可以說資源控制塊集合定義了操作系統(tǒng)的狀態(tài)。

這就帶來了一個(gè)重要的設(shè)計(jì)問題。操作系統(tǒng)中的很多例程需要訪問進(jìn)程控制塊中的信息。直接訪問這些表并不困難。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一的ID號，它可用作進(jìn)程控制塊的指針表的索引。困難不是訪問而是保護(hù)，具體表現(xiàn)為兩個(gè)問題：

• 一個(gè)例程（如中斷處理程序）中的錯(cuò)誤可能會破壞進(jìn)程控制塊，進(jìn)而破壞系統(tǒng)對受影響進(jìn)程的管理能力。
• 進(jìn)程控制塊結(jié)構(gòu)或語義中的設(shè)計(jì)變化可能會影響到操作系統(tǒng)中的許多模塊。

這些問題可要求操作系統(tǒng)中的所有例程都通過一個(gè)處理程序例程來解決，即處理程序例程的任務(wù)僅是保護(hù)進(jìn)程控制塊，且是讀寫這些塊的唯一仲裁程序，而不是簡單的直接進(jìn)行讀寫。使用這類進(jìn)程時(shí)，需要在性能和其他系統(tǒng)軟件對其的信任度之間進(jìn)行折中。

4.進(jìn)程控制

4.1 執(zhí)行模式

大多數(shù)處理器至少支持兩種執(zhí)行模式。某些指令只能在特權(quán)模式下運(yùn)行，包括讀取或改變諸如程序狀態(tài)字之類的控制寄存器的指令、原始I/O指令和與內(nèi)存管理相關(guān)的指令。另外，部分內(nèi)存區(qū)域僅能在特權(quán)模式下訪問。

非特權(quán)模式通常稱為用戶模式（user mode），因?yàn)橛脩舫绦蛲ǔＴ谠撃Ｊ较逻\(yùn)行；特權(quán)模式稱為系統(tǒng)模式（system mode）、控制模式（control mode）或內(nèi)核模式（kernel mode），內(nèi)核模式指的是操作系統(tǒng)的內(nèi)核，它是操作系統(tǒng)中包含重要系統(tǒng)功能的部分。操作系統(tǒng)內(nèi)核的典型功能是：

典型情況下，當(dāng)用戶調(diào)用一個(gè)操作系統(tǒng)服務(wù)或中斷來觸發(fā)系統(tǒng)例程的執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行模式將被置為內(nèi)核模式；而當(dāng)從系統(tǒng)服務(wù)返回到用戶進(jìn)程時(shí)，執(zhí)行模式則置為用戶模式。不同的模式可以通過CPU寄存器來指示。

4.2進(jìn)程創(chuàng)建

操作系統(tǒng)基于某種原因（之前說過）決定創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程時(shí)，會按如下步驟操作：

為新進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識符。 此時(shí)，主進(jìn)程表中會添加一個(gè)新表項(xiàng)，每個(gè)進(jìn)程一個(gè)表項(xiàng)。

為進(jìn)程分配空間。 這包括進(jìn)程映像中的所有元素。因此，操作系統(tǒng)必須知道私有用戶地址空間（程序和數(shù)據(jù)）和用戶棧需要多少空間。默認(rèn)情況下會根據(jù)進(jìn)程的類型分配這些值，但也可在作業(yè)創(chuàng)建時(shí)基于用戶請求設(shè)置這些值。若一個(gè)進(jìn)程由另一個(gè)進(jìn)程生成，則父進(jìn)程可把所需的值作為進(jìn)程創(chuàng)建請求的一部分傳遞給操作系統(tǒng)。若任何已有的地址空間將被這個(gè)新進(jìn)程共享，則要建立正確的鏈接。最后，必須為進(jìn)程控制塊分配空間。

初始化進(jìn)程控制塊。 進(jìn)程標(biāo)識部分包括進(jìn)程ID和其他相關(guān)的ID，如父進(jìn)程的ID等；處理器狀態(tài)信息部分的多數(shù)項(xiàng)目通常初始化為0，但程序計(jì)數(shù)器（置為程序入口點(diǎn)）和系統(tǒng)棧指針（定義進(jìn)程棧邊界）除外。進(jìn)程控制信息部分根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)值和該進(jìn)程請求的特性來初始化。例如，進(jìn)程狀態(tài)通常初始化為就緒或就緒/掛起。優(yōu)先級默認(rèn)情況下可設(shè)置為最低，除非顯式請求了更高的優(yōu)先級；進(jìn)程最初不擁有任何資源（I/O設(shè)備、文件），除非顯式地請求了這些資源，或繼承了父進(jìn)程的資源。

創(chuàng)建或擴(kuò)充其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 例如，操作系統(tǒng)可因編制賬單和/或評估性能，為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)一個(gè)記賬文件。

4.3進(jìn)程切換

表面上看，進(jìn)程切換很簡單。在某個(gè)時(shí)刻，操作系統(tǒng)中斷一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程，將另一個(gè)進(jìn)程置于運(yùn)行模式，并把控制權(quán)交給后者。然而，這會引發(fā)若干問題。首先，什么事件觸發(fā)了進(jìn)程的切換？其次，必須認(rèn)識到模式切換與進(jìn)程切換間的區(qū)別；最后，要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程切換，操作系統(tǒng)須對其控制的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做些什么？

4.3.1 控制權(quán)轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)

進(jìn)程切換可在操作系統(tǒng)從當(dāng)前正運(yùn)行進(jìn)程中獲得控制權(quán)的任何時(shí)刻發(fā)生，也就是控制權(quán)在操作系統(tǒng)手中，就可能發(fā)生進(jìn)程切換。下表給出了可能把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)的事件。

大多數(shù)操作系統(tǒng)都會區(qū)分兩種系統(tǒng)中斷：一種稱為中斷，另一種稱為陷阱。前者與當(dāng)前正運(yùn)行進(jìn)程無關(guān)的某種外部事件相關(guān)，如完成一次I/O操作；后者與當(dāng)前正運(yùn)行進(jìn)程產(chǎn)生的錯(cuò)誤或異常條件相關(guān)，如非法的文件訪問。

中斷

對于普通中斷（interrupt），控制權(quán)首先轉(zhuǎn)給中斷處理器，中斷處理器完成一些基本的輔助工作后，再將控制權(quán)轉(zhuǎn)給與已發(fā)生的特定中斷相關(guān)的操作系統(tǒng)例程。示例如下：

• 時(shí)鐘中斷：操作系統(tǒng)確定當(dāng)前正運(yùn)行進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間是否已超過最大允許時(shí)間段【時(shí)間片（time slice），即進(jìn)程中斷前可以執(zhí)行的最大時(shí)間段】。若超過，進(jìn)程就切換到就緒態(tài)，并調(diào)入另一個(gè)進(jìn)程。
• I/O中斷：操作系統(tǒng)確定是否已發(fā)生I/O活動(dòng)。若IVO活動(dòng)是一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程正在等待的事件，則操作系統(tǒng)就把所有處于阻塞態(tài)的進(jìn)程轉(zhuǎn)換為就緒態(tài)（阻塞/掛起態(tài)進(jìn)程轉(zhuǎn)換為就緒/掛起態(tài)）。操作系統(tǒng)必須決定是繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程，還是讓具有高優(yōu)先級的就緒態(tài)進(jìn)程搶占這個(gè)進(jìn)程。
• 內(nèi)存失效：處理器遇到一個(gè)引用不在內(nèi)存中的字的虛存地址時(shí)，操作系統(tǒng)就必須從外存中把包含這一引用的內(nèi)存塊（頁或段）調(diào)入內(nèi)存。發(fā)出調(diào)入內(nèi)存塊的I/O請求后，內(nèi)存失效進(jìn)程將進(jìn)入阻塞態(tài)；操作系統(tǒng)然后切換進(jìn)程，恢復(fù)另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行。期望的塊調(diào)入內(nèi)存后，該進(jìn)程置為就緒態(tài)。

陷阱

對于陷阱（trap），操作系統(tǒng)則確定錯(cuò)誤或異常條件是否致命。致命時(shí)，當(dāng)前正運(yùn)行進(jìn)程置為退出態(tài)，并切換進(jìn)程；不致命時(shí)，操作系統(tǒng)的動(dòng)作將取決于錯(cuò)誤的性質(zhì)和操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)可能會嘗試恢復(fù)程序，或簡單地通知用戶。操作系統(tǒng)可能會切換進(jìn)程，或繼續(xù)當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程。

系統(tǒng)調(diào)用

最后，操作系統(tǒng)可被來自正執(zhí)行程序的系統(tǒng)調(diào)用（supervisor call）激活。例如，正運(yùn)行用戶進(jìn)程執(zhí)行了一個(gè)請求I/O操作的指令（如打開文件），這時(shí)該調(diào)用會轉(zhuǎn)移到作為操作系統(tǒng)代碼一部分的一個(gè)例程。使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)會將用戶進(jìn)程置為阻塞態(tài)。

綜上所述我們知道中斷不是進(jìn)程主動(dòng)發(fā)生的，而陷阱和系統(tǒng)調(diào)用是進(jìn)程主動(dòng)產(chǎn)生的。在這里我在網(wǎng)上查閱了一些資料，這里的陷阱又像是有一點(diǎn)異常的意思在里面，而系統(tǒng)調(diào)用又使用了陷阱，總之概念似乎有點(diǎn)混淆，不過對于中斷倒是沒有異議。讀者可以結(jié)合下面這篇博客來理解陷阱和系統(tǒng)調(diào)用。
https://www.cnblogs.com/broglie/p/5463359.html

4.3.2 模式切換過程

當(dāng)進(jìn)程切換的時(shí)候，需要進(jìn)行執(zhí)行模式的切換。執(zhí)行模式的切換離不開中斷。當(dāng)出現(xiàn)中斷的時(shí)候，處理器會做如下工作：

將程序計(jì)數(shù)器置為中斷處理程序的開始地址。

從用戶模式切換到內(nèi)核模式，以便中斷處理代碼包含特權(quán)指令。

處理器現(xiàn)在繼續(xù)取指階段，并取中斷處理程序的第一條指令來服務(wù)該中斷。此時(shí)，將已中斷進(jìn)程的上下文保存到已中斷程序的進(jìn)程控制塊中。

現(xiàn)在的問題是，保存的上下文包括哪些內(nèi)容？答案是，它必須包含中斷處理程序可能改變的所有信息，以及恢復(fù)被中斷程序時(shí)所需要的所有信息。因此，必須保存稱為處理器狀態(tài)信息的進(jìn)程控制塊部分，包括程序計(jì)數(shù)器、其他處理器寄存器和棧信息。

進(jìn)程控制塊中的其他信息如何處理？若中斷之后切換到另一個(gè)應(yīng)用程序，則需要做一些工作。但在多數(shù)操作系統(tǒng)中，中斷發(fā)生后并不一定進(jìn)行進(jìn)程切換。可能的情況是，執(zhí)行中斷處理程序后，繼續(xù)執(zhí)行正運(yùn)行的進(jìn)程。此時(shí)，所要做的工作是發(fā)生中斷時(shí)保存處理器狀態(tài)信息，并在控制權(quán)返回給該程序時(shí)恢復(fù)這些信息。保存和恢復(fù)功能通常由硬件實(shí)現(xiàn)。那么需要進(jìn)程切換時(shí)，就需要做以下的工作了。

4.3.3 進(jìn)程狀態(tài)需要變化時(shí)，操作系統(tǒng)所作的工作

進(jìn)程狀態(tài)的變化顯然，模式切換與進(jìn)程切換是不同的。模式切換可在不改變運(yùn)行態(tài)進(jìn)程的狀態(tài)的情況下出現(xiàn)。此時(shí)保存上下文并在以后恢復(fù)上下文僅需很少的開銷。但是，若當(dāng)前正運(yùn)行進(jìn)程將轉(zhuǎn)換為另一狀態(tài)（就緒、阻塞等），則操作系統(tǒng)必須使環(huán)境產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的變化。完整的進(jìn)程切換步驟如下：

保存處理器的上下文，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器。

更新當(dāng)前處于運(yùn)行態(tài)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，包括把進(jìn)程的狀態(tài)改變?yōu)榱硪粻顟B(tài)（就緒態(tài)、阻塞態(tài)、就緒/掛起態(tài)或退出態(tài)）。還須更新其他相關(guān)的字段，包括退出運(yùn)行態(tài)的原因和記賬信息。

把該進(jìn)程的進(jìn)程控制塊移到相應(yīng)的隊(duì)列（就緒、在事件i處阻塞、就緒/掛起）。

選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行。

更新所選進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，包括把進(jìn)程的狀態(tài)改為運(yùn)行態(tài)。

更新內(nèi)存管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。是否需要更新取決于管理地址轉(zhuǎn)換的方式。

載入程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器先前的值，將處理器的上下文恢復(fù)為所選進(jìn)程上次退出運(yùn)行態(tài)時(shí)的上下文。

因此，涉及狀態(tài)變化的進(jìn)程切換與模式切換相比，要做的工作更多。

5.操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

操作系統(tǒng)有兩個(gè)特殊事實(shí)：

• 操作系統(tǒng)與普通計(jì)算機(jī)軟件以同樣的方式運(yùn)行，即它也是由處理器執(zhí)行的一個(gè)程序。
• 操作系統(tǒng)會頻繁地釋放控制權(quán)，并依賴于處理器來恢復(fù)控制權(quán)。

如果操作系統(tǒng)僅是像其他程序那樣由處理器執(zhí)行的一組程序，那么操作系統(tǒng)是一個(gè)進(jìn)程嗎？如果是，如何控制它？這些有趣的問題使得人們提出了大量的設(shè)計(jì)方法。圖3.15中給出了當(dāng)代操作系統(tǒng)中使用的各種方法。接下來，我們一一講解。

5.1 無進(jìn)程內(nèi)核

在許多老操作系統(tǒng)中，傳統(tǒng)且通用的一種方法是在所有進(jìn)程外部執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)核【見圖3.15（a）】。采用這種方法時(shí)，若當(dāng)前正運(yùn)行進(jìn)程被中斷或產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，則會保存該進(jìn)程的模式上下文，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給內(nèi)核。操作系統(tǒng)本身具有控制過程調(diào)用和返回的內(nèi)存區(qū)域與系統(tǒng)棧。操作系統(tǒng)可執(zhí)行任何預(yù)期的功能，并恢復(fù)被中斷進(jìn)程的上下文，恢復(fù)中斷用戶進(jìn)程的執(zhí)行；操作系統(tǒng)也可保存進(jìn)程的模式上下文，并繼續(xù)調(diào)度和分派另一個(gè)進(jìn)程，但是否這樣做取決于中斷的原因和當(dāng)前的情況。

無論哪種情況，關(guān)鍵都是進(jìn)程這一概念僅適用于用戶程序，而操作系統(tǒng)代碼則是在特權(quán)模式下單獨(dú)運(yùn)行的實(shí)體。

5.2 在用戶進(jìn)程內(nèi)運(yùn)行

較小計(jì)算機(jī)（PC、工作站）的操作系統(tǒng)通常采用另一種方法，即在用戶進(jìn)程的上下文中執(zhí)行所有操作系統(tǒng)軟件。此時(shí)，操作系統(tǒng)是用戶調(diào)用的一組例程，它在用戶進(jìn)程的環(huán)境內(nèi)執(zhí)行并實(shí)現(xiàn)各種功能，如圖3.15（b）所示。任何時(shí)刻操作系統(tǒng)都管理著n個(gè)進(jìn)程映像，這些進(jìn)程映像就變成了下圖所示的樣子：

發(fā)生中斷、陷阱或系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，處理器置于內(nèi)核模式，控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)。要把控制權(quán)從用戶程序轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，需要保存模式上下文并切換模式，再切換到一個(gè)操作系統(tǒng)例程，但此時(shí)仍然是在當(dāng)前的用戶進(jìn)程內(nèi)繼續(xù)執(zhí)行，不需要切換進(jìn)程，只是在同一進(jìn)程中切換模式。

操作系統(tǒng)完成操作后，需要繼續(xù)運(yùn)行當(dāng)前的進(jìn)程，則會切換模式以在當(dāng)前進(jìn)程內(nèi)恢復(fù)已中斷的程序。這種方法的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是：中斷一個(gè)用戶程序，使用某些操作系統(tǒng)例程，然后恢復(fù)用戶程序，所有這些都不會招致兩次進(jìn)程切換的懲罰。

然而，若確認(rèn)將出現(xiàn)進(jìn)程切換而非返回到先前正執(zhí)行的程序，則控制權(quán)會傳遞給一個(gè)進(jìn)程切換例程，進(jìn)程切換例程是否在當(dāng)前進(jìn)程中執(zhí)行，則取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然而，在某些特殊情況下，當(dāng)前進(jìn)程必須置于非運(yùn)行態(tài)，而另一個(gè)進(jìn)程則指定為正運(yùn)行進(jìn)程。此時(shí)，將執(zhí)行視為發(fā)生在所有進(jìn)程外部邏輯上最為方便。

5.3 基于進(jìn)程的操作系統(tǒng)

圖3.15（c）所示的另一種方法是把操作系統(tǒng)作為一組系統(tǒng)進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)。類似于其他方法，該軟件是在內(nèi)核模式下運(yùn)行的內(nèi)核的一部分。但在這種情況下，主要的內(nèi)核功能被組織為獨(dú)立的進(jìn)程。同樣，此時(shí)存在一些在任何進(jìn)程之外執(zhí)行的進(jìn)行切換代碼。

這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它利用了鼓勵(lì)使用模塊化操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)原理，可使模塊間的接口最小且最簡單。其次，有些非關(guān)鍵操作系統(tǒng)功能可簡單地用獨(dú)立的進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)，例如前面提及的監(jiān)視各種資源（處理器、內(nèi)存、通道）利用率和系統(tǒng)中用戶進(jìn)程進(jìn)展?fàn)顟B(tài)的程序。因?yàn)檫@種程序不向任何活動(dòng)進(jìn)程提供特殊的服務(wù)，因此只能被操作系統(tǒng)調(diào)用。作為一個(gè)進(jìn)程，這一功能可以任何指定的優(yōu)先級在分派器的控制下與其他進(jìn)程交替執(zhí)行。第三，把操作系統(tǒng)作為一組進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)時(shí)，在多處理器或多機(jī)環(huán)境中很有用，因此此時(shí)為提高性能，有些操作系統(tǒng)服務(wù)可傳送到專用的處理上執(zhí)行。

6 UNIX SVR4 進(jìn)程管理

UNIX System V使用了一種對用戶可見的簡單但功能強(qiáng)大的進(jìn)程機(jī)制。UNIX采用了圖3.15（b）中的模型，在該模型中操作系統(tǒng)的大部分都在用戶進(jìn)程環(huán)境內(nèi)執(zhí)行。UNIX使用了兩類進(jìn)程，即系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程。系統(tǒng)進(jìn)程在內(nèi)核模式下運(yùn)行，執(zhí)行操作系統(tǒng)代碼來實(shí)現(xiàn)管理功能和內(nèi)部處理，如內(nèi)存空間的分配和進(jìn)程交換；用戶進(jìn)程則在用戶模式下運(yùn)行并執(zhí)行用戶程序和實(shí)用程序，在內(nèi)核模式下運(yùn)行并執(zhí)行屬于內(nèi)核的指令。當(dāng)產(chǎn)生異常（錯(cuò)誤）、發(fā)生中斷或用戶進(jìn)程發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，用戶進(jìn)程可進(jìn)入內(nèi)核模式。

6.1 進(jìn)程狀態(tài)

UNIX操作系統(tǒng)中共有9種進(jìn)程狀態(tài)，如表3.9所示。圖3.17（基于【BACH86】中的圖形）是相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，它與之前的五狀態(tài)+兩掛起進(jìn)程模型類似，兩個(gè)UNIX休眠態(tài)對應(yīng)于其中的兩個(gè)阻塞態(tài)。兩個(gè)進(jìn)程模型的主要不同之處如下：

• UNIX采用兩個(gè)運(yùn)行態(tài)表示進(jìn)程是在用戶模式下執(zhí)行還是在內(nèi)核模式下執(zhí)行。
• UNIX區(qū)分兩種狀態(tài)，即內(nèi)存中的就緒態(tài)和被搶占態(tài)。從本質(zhì)上說，它們是同一狀態(tài)，如圖中它們間的虛線所示。之所以區(qū)分這兩個(gè)狀態(tài)，是為了強(qiáng)調(diào)進(jìn)入被搶占狀態(tài)的方式。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)核模式下運(yùn)行（系統(tǒng)調(diào)用、時(shí)鐘中斷或I/O中斷的結(jié)果），且內(nèi)核已完成了其任務(wù)并準(zhǔn)備把控制權(quán)返回給用戶程序時(shí)，就可能會出現(xiàn)搶占的時(shí)機(jī)。這時(shí)，內(nèi)核可能決定搶占當(dāng)前進(jìn)程，轉(zhuǎn)而支持另一個(gè)已就緒并具有較高優(yōu)先級的進(jìn)程。在這種情況下，當(dāng)前進(jìn)程轉(zhuǎn)換為被搶占態(tài)，但為了分派處理，處于被搶占態(tài)的進(jìn)程和在內(nèi)存中處理就緒態(tài)的進(jìn)程就構(gòu)成了一個(gè)隊(duì)列。只有在進(jìn)程準(zhǔn)備從內(nèi)核模式轉(zhuǎn)換到用戶模式時(shí)才可能發(fā)生搶占，進(jìn)程在內(nèi)核模式下運(yùn)行時(shí)不會被搶占，因此UNIX不適用于實(shí)時(shí)處理。
  
  

和之前說到的五狀態(tài)+兩掛起進(jìn)程模型對應(yīng)總結(jié)如下：

• 新建態(tài)：被創(chuàng)建
• 阻塞/掛起態(tài)：休眠，被交換
• 阻塞態(tài)：休眠，并駐留內(nèi)存
• 就緒/掛起態(tài)：就緒，被交換
• 就緒態(tài)：1.就緒，并駐留內(nèi)存； 2.被搶占
• 運(yùn)行態(tài)：1.內(nèi)核運(yùn)行； 2.用戶運(yùn)行
• 退出態(tài)：僵死

6.2 進(jìn)程描述

UNIX中的進(jìn)程是一組相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為操作系統(tǒng)提供管理進(jìn)程和分派進(jìn)程所需的全部信息。表3.10概括了進(jìn)程映像中的元素，這些元素分為三部分：用戶級上下文、寄存器上下文和系統(tǒng)級上下文。

6.3 新進(jìn)程創(chuàng)建

UNIX中的進(jìn)程創(chuàng)建是由內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用fork（）實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)進(jìn)程發(fā)出一個(gè)fork請求時(shí)，操作系統(tǒng)執(zhí)行如下功能：

在進(jìn)程表中為新進(jìn)程分配一個(gè)空項(xiàng)。

為子進(jìn)程分配一個(gè)唯一進(jìn)程標(biāo)識符。

復(fù)制父進(jìn)程的進(jìn)程映像，但共享內(nèi)存除外。

增加父進(jìn)程所擁有文件的計(jì)數(shù)器，反映另一個(gè)進(jìn)程（子進(jìn)程）現(xiàn)在也擁有這些文件的事實(shí)。

將子進(jìn)程置為就緒態(tài)。

將子進(jìn)程的ID號返回給父進(jìn)程，將0值返回給子進(jìn)程。

所以子進(jìn)程和父進(jìn)程除了進(jìn)程標(biāo)識符和共享內(nèi)存外，完全一致

所有這些工作都在父進(jìn)程的內(nèi)核模式下完成。內(nèi)核完成這些功能后，可繼續(xù)分派器例程工作一部分的如下三種操作之一：

停留在父進(jìn)程中。控制權(quán)返回到用戶模式下父進(jìn)程調(diào)用fork的位置。

處理器控制權(quán)交給子進(jìn)程。子進(jìn)程開始執(zhí)行代碼，執(zhí)行點(diǎn)與父進(jìn)程相同，即在fork調(diào)用的返回處。

控制權(quán)轉(zhuǎn)交給另一個(gè)進(jìn)程。父進(jìn)程和子進(jìn)程都置于就緒態(tài)。

很難想象在這種創(chuàng)建進(jìn)程的方法中，父進(jìn)程和子進(jìn)程都執(zhí)行相同的代碼。區(qū)別在于：從fork調(diào)用返回時(shí)，測試返回參數(shù)。若值為零，則它是子進(jìn)程，此時(shí)可轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的用戶程序中繼續(xù)執(zhí)行；若值非零，則它是父進(jìn)程，此時(shí)繼續(xù)執(zhí)行主程序。

兩個(gè)特殊進(jìn)程

UNIX中有兩個(gè)獨(dú)特的進(jìn)程。進(jìn)程0是一個(gè)特殊的進(jìn)程，它是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的。實(shí)際上，它是啟動(dòng)時(shí)加載的一個(gè)預(yù)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是交換程序進(jìn)程。此外，進(jìn)程0產(chǎn)生稱為初始進(jìn)程的進(jìn)程1，進(jìn)程1是系統(tǒng)中所有其他進(jìn)程的祖先。當(dāng)新的交互用戶登錄到系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)程1會為該用戶創(chuàng)建一個(gè)用戶進(jìn)程。隨后，用戶進(jìn)程創(chuàng)建構(gòu)成分支樹的子進(jìn)程，因此任何應(yīng)用程序都由一組相關(guān)的進(jìn)程組成。

7 . 總結(jié)

現(xiàn)代操作系統(tǒng)中最基本的構(gòu)件是進(jìn)程，操作系統(tǒng)的基本功能是創(chuàng)建、管理和終止進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程處于活躍狀態(tài)時(shí)，操作系統(tǒng)必須設(shè)法使每個(gè)進(jìn)程都分配到處理器執(zhí)行時(shí)間，并協(xié)調(diào)它們的活動(dòng)、管理有沖突的請求、給進(jìn)程分配系統(tǒng)資源。

關(guān)于進(jìn)程管理
要執(zhí)行進(jìn)程管理功能，操作系統(tǒng)必須維護(hù)每個(gè)進(jìn)程的描述（或進(jìn)程映像），包括執(zhí)行進(jìn)程的地址空間和一個(gè)進(jìn)程控制塊。進(jìn)程控制塊含有操作系統(tǒng)管理進(jìn)程需要的全部信息，包括進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)、分配給進(jìn)程的資源、優(yōu)先級和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

關(guān)于進(jìn)程狀態(tài)
在整個(gè)生命周期內(nèi)，進(jìn)程總是在一些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。最重要的狀態(tài)有就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)和阻塞態(tài)。就緒態(tài)進(jìn)程是指當(dāng)前未執(zhí)行但已做好執(zhí)行準(zhǔn)備的進(jìn)程，只要操作系統(tǒng)調(diào)度到它，它就會立即執(zhí)行；運(yùn)行態(tài)進(jìn)程是指當(dāng)前正被處理器執(zhí)行的進(jìn)程，在多處理器系統(tǒng)中會有多個(gè)進(jìn)程處于這種狀態(tài)；阻塞態(tài)進(jìn)程是指正在等待某一事件完成（如一次I/O操作）的進(jìn)程。

關(guān)于進(jìn)程切換
正運(yùn)行進(jìn)程可被進(jìn)程外發(fā)生并被處理器識別的中斷事件打斷，或被執(zhí)行操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用打斷。不論在哪種情況下，處理器都會執(zhí)行一次模式切換，將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)例程。操作系統(tǒng)完成必需的操作后，可以恢復(fù)被中斷的進(jìn)程或切換到其他進(jìn)程。

總結(jié)

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