信马由缰操作系统-程序与进程

在上一篇《重新Java-进程/线程产生背景》中我们简述了下面思维导图中程序中的进程发展史，本篇我们将介绍剩余的程序部分以及进程的数据结构等基础知识。程序的生命周期将留到下篇介绍。

1. 程序

1.1 顺序执行的特征

通过上节介绍，我们知道了早期计算机（如单道批处理系统和早期未配置OS的的计算机系统）一次只能执行一个程序，由它独占系统的所有资源，只有执行完后才会执行下一个程序，这即是顺序执行。程序顺序执行时的具有如下3个特征：

1. 顺序性 ：CPU等处理机会严格按照程序所规定的顺序执行语句，每个资源必须在下一条语句执行完成之前完成。
2. 封闭性 ：程序在封闭的环境下执行，运行时独占全机资源，一旦开始执行，其计算结果取决于程序本身，不再受外界因素干扰。
3. 可再现性 ：只要程序执行的环境和初始条件相同，无论执行多少次，都可以获得相同的结果。

顺序执行虽然为开发者带来了便利，但系统资源利用率极其低下。

1.2 并发执行的特征

随着技术发展，现代计算机系统允许加载多个程序到内存中，以便并发执行。程序在并发执行时也存在3个特征：

1. 间断性 ：同时执行多个程序，但一个CPU同一时间只能执行一个，于是有了每个很短的时间段执行一个进程，通过不断切换执行，达到最终全部执行完成的效果。从而使并发有了“执行-暂停-执行”这种间断性的活动规律。来自《计算机操作系统》中的说明对这个的介绍比较官方一些,大致如下：
   • 程序在并发执行时，由于共享系统资源，以及为了完成同一项任务而相互合作，这些并发执行的程序之间形成了相互制约的关系。
   • 相互制约的关系将导致并发程序具有“执行-暂停-执行”这种间断性的活动规律。
2. 失去封闭性 ：多个程序的切换执行，共享系统中的所有资源，一个程序服务的执行导致资源变化从而会影响到其它进程，进而失去封闭性。
3. 不可再现性 ：多个程序并发执行时，失去封闭性会导致其失去可再现性。比如多次执行多个程序时，执行顺序不同，可能会导致最终结果不同。

由于这三个特征，程序直接参与并发执行肯定就不合适了。为了使程序可以并发执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和限制，于是在OS中（从多道批处理程序开始）引入了进程(process)这一概念。

1.3 并发与并行

在如今多处理器时代，除了并发还有并行：

• 并发(concurrency) ：两个或多个事件在同一时间间隔发生(交替执行)
• 并行(parallellism) ：两个或多个事件在同一时刻发生(同时执行)

1.4 程序与进程

程序本身不是进程，程序是被动(passive)实体，进程是活动(active)实体，当程序被执行时，程序就成了进程。如：

• 程序是存储在磁盘上的包含一系列指令的文件，常称为可执行文件(executable file)。
• 当一个可执行文件被加载到内存时（如我们打开一个web浏览器等时），这个程序便成了进程。

2. 进程

可以把传统OS中的进程定义为：进程是程序执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。在之后引入线程的OS中，线程则成了调度的基本单位。

2.1 进程的特征

进程除了有程序没有的 PCB 之外，还具有如下几个特性：

1. 动态性 ：进程的本质是程序的执行过程，因此动态性是其最基本的特征。进程有一定的生命期，由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡。
2. 并发性 ：引入进程就是为了并发，所以这是另一个重要特性。多个进程共存在内存中，且能在一段时间内同时执行。
3. 独立性 ：在传统OS中，独立性是指进程是一个能够独立运行、独立获得资源、独立接受调度的单位。未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与并发执行。
4. 异步性 ：进程是按异步方式运行的，且按各自独立的、不可预知的速度向前推进。为了保证异步的同时能够保证结果的可再现，配置了相应的进程同步机制。

2.2 进程的数据结构

在计算机中，对于每个资源和每个进程都设置了一个数据结构，用于表征其实体，可称之为资源信息表和进程信息表。相同类型的表通常会通过指针连接成队列，OS管理的这些控制表一般可分为以下4类：内存表、设备表、文件表和用于进程管理的进程表。通常进程表又被称为进程控制块(Process Control Block,PCB)，也称为任务控制块(Task Control Block)。

2.2.1 PCB 中包含的信息

在 PCB 中主要包含如下4中信息：

1. 进程标识符 ：进程标识符用于唯一地标志一个进程。一个进程通常有外部标识符和内部标识符这两种标识符。
   • 外部标识符：为方便用户（进程）对进程的访问所设置。通常由字母与数组组成。为描述进程的家族关系，需要设置父进程和子进程标识符。为了指示拥有此进程的用户，还可以设置用户标识符。
   • 内部标识符：为方便系统对进程的使用。
2. 处理机状态 ：处理机状态信息，也称为处理机上下文，主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成，当处于执行状态时，正在处理的信息需要放在寄存器中，当被切换时，处理机状态信息必须保存在相应的 PCB 中。
   • 通用寄存器 ：又称为用户可视寄存器，可被用户程序访问，用于暂存信息。
   • 指令计数器 ：存放了要访问的下一条指令的地址。
   • 程序状态字寄存器 ：含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标识等。
   • 用户栈指针寄存器 ：每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放进程和系统的调用参数以及调用地址。
3. 进程调度信息 ：OS在进行进程调度时，需要了解进程的状态以及有关进程的调度信息：
   • 进程状态：指明进程当前的状态，用于进程调度和对换时的数据。
   • 进程优先级 ：优先级高的进程应优先获得处理机。
   • 进程调度所需的其它信息 ：如进程已经等待CPU的时间总和，进程已经执行时间的总和等，与所选调度算法有关。
   • 事件：即阻塞原因，进程由执行转到阻塞状态所等待发生的事件。
4. 进程控制信息 ：用于进程控制所必需的信息。
   • 程序和数据的地址 ：进程中程序和数据的内/外存地址，方便再次调度到该进程执行时快速从 PCB 中找到其程序与数据。
   • 进程同步和通信机制 ：辍学进程同步和进程通信时所必需的机制，如消息队列指针等
   • 资源清单 ：列出了进程在运行期间除CPU外的所需的全部资源
   • 链接指针 ：指出本进程所在队列的下一个进程的 PCB 的起始地址。

2.2.1 PCB 的组织方式

目前针对 PCB 常用的组织方式有如下3中方案：

1. 线性方式 ：将系统中所有的PCB都组织在一张线性表中，将该表的起始地址放在内存的一个专用区域中。该方式实现简单且开销小，但每次查找时需要全表扫描，因此适合PCB不多的系统。
2. 链接方式 ：通过 PCB 中的连接字，将具有相同状态的进程的PCB分别链接成一个队列。如此可形成就绪队列、若干阻塞队列和空闲队列等。
   • 就绪队列：按优先级从高到低排列。
   • 阻塞队列：可根据不同的阻塞原因，将相同原因的PCB链接成一个队列。
3. 索引方式 ：系统根据所有进程状态的不同，建立几张索引表，如就绪索引表、阻塞索引表等，并把各个索引表在内存中的起始地址记录在内存的专用单元中。在每个索引表的目录中记录具有相应状态的某个PCB在PCB表中的地址。

2.2.1 PCB 的作用

1. 作为独立运行基本单位的标志 ：系统通过PCB来感知进程的存在的，PCB已经成为进程存在于系统中的唯一标志。
2. 实现间断性运行方式 ：在PCB中保存自己运行时的CPU现场信息，当其再次被调度时，便可迅速恢复自己的信息，从而继续运行。
   • 在多道程序的环境下，作为传统意义上的静态程序，因为其不具有保护或者保存自己运行现场的手段，故无法保证运行结果的可再现性，从而失去了运行的意义。
3. 提供进程管理所需要的信息 ：在进程的整个生命周期中，OS都是根据PCB来实施对进程的控制和管理的。比如：
   • 调度程序调度到某个进程时，只能根据该进程的PCB中记录的程序和数据在内/外存中的起始地址(又称“始址”或者“基址”)找到相应程序与数据。
   • 进程运行过程中，访问系统中的文件或者I/O时，也需要借助PCB中的信息。
   • 可以根据PCB的资源清单了解该进程所需的全部资源信息等。
4. 提供进程调用所需要的信息 ：只有处于就绪状态的进程才可被调度，PCB中提供了进程所处状态等信息。
5. 实现与其他进程的同步与通信 ：进程同步机制是用于实现各个进程的协调运行的。
   • 在采用信号量机制时，要求在每个进程中都设置相应的用于同步的信号量。
   • PCB中还具有用于实现进程通信的区域或者通信队列等。

3. 参考资料

1. 《计算机操作系统(慕课版)》汤子瀛等
2. 《操作系统概念(原书第9版)》