进程的定义、组成、组织方式、特征

进程的定义¹

程序：就是一个指令序列
早期的计算机（只支持单道程序）：程序的代码放在程序段内，程序运行过程处理的数据放在数据段内（如变量）。

引入多道程序技术之后：内存中同时放入多道程序，各个程序的代码、运算数据存放的位置不同。操作系统要怎么才能找到各程序的位置呢？

为了方便操作系统管理，完成各程序并发执行，引入了进程、进程实体的概念
系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置）

进程实体（进程映像）：由PCB、程序段、数据段三部分构成。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实际上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实际上是撤销进程实体中的PCB。
注意：PCB是进程存在的唯一标志！！！

从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义²有：

1. 进程是程序的一次执行过程。
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3. 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

引入进程实体的概念后，可把进程定义为：
进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

注：严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。不过，除非题目专门考察二者区别，否则可以认为进程实体就是进程。因此我们也可以说“进程是由程序段、数据段、PCB三部分组成”

进程的组成

• PCB：PCB是进程存在的唯一标志

  • 进程描述信息
    • 进程标识符PID：当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID，用于区分不同的进程（类似于身份证号）
    • 用户标识符UID
  • 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
    • 键盘
    • 鼠标
  • 处理机相关信息
    • 各种寄存器值：当进程切换时需要把进程当前的运行情况记录下来保存在PCB中，如程序计数器的值表示了当前程序执行到哪一句。

• 程序段：存放要执行的程序代码

• 数据段：存放程序运行过程中处理的各种资源

本质特点：进程的管理者（操作系统）所需的数据都在PCB中
程序本身的运行所需的数据在程序段、数据段中

进程的组织方式

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应当用适当的方式把这些PCB组织起来。
注：进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题

• 链接方式
  • 按照进程状态将PCB分为多个队列
  • 操作系统持有指向各个队列的指针

执行指针：指向当前处于运行态（执行态）的进程，单CPU计算机中，同一时刻只会有一个进程处于运行态
.
就绪队列指针：指向当前处于就绪态的进程，通常会把优先级高的进程放在队头
.
阻塞队列指针：指向当前处于阻塞态的进程，很多操作系统还会根据阻塞原因不同，再分为多个阻塞队列

• 索引方式
  • 根据进程状态的不同，建立几张索引表，各表项指向一个PCB
  • 操作系统持有指向各个索引表的指针

执行指针：指向当前处于运行态（执行态）的进程，单CPU计算机中，同一时刻只会有一个进程处于运行态
.
就绪表指针：指向的是一个索引表，而不是一个队列的对头，而这个索引表的表项指向处于这个状态的PCB
.
阻塞表指针：同上

进程的特征

进程和程序是两个截然不同的概念，相比于程序，进程有以下特征：

• 动态性³：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，各进程可并发执行
• 独立性⁴：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位

• 异步性：各进程以不可预知的速度向前推进，可能导致运行结果的不确定性。操作系统要提供“进程同步机制“来解决异步问题。
• 结构性 ：每个进程都会配置一个PCB。从结构上看，进程是由程序段、数据段、PCB组成。

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1. 以上笔记均来自王道考研 ↩︎

2. 所有的定义都在强调进程的“动态性” ↩︎

3. 动态性是进程最基本特征 ↩︎

4. 进程是系统进行资源分配、调度的独立单位 ↩︎