【操作系统】第七章：进程管理（Part1：进程的概念）
进程描述
进程的静态表述部分。
1.定义
进程的概念比较抽象。某些角度上，我们可以把运行的程序看作进程，它代表程序在整个执行过程的描述。随着计算机的不断发展，程序开始出现多元化，一个程序分成几部分运行的例子也很多，此时如果我们再用程序的概念来描述多个程序的实例就比较困难，所以我们引出进程的概念。
进程：一个具有独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。
如图，我们写程序，然后程序通过编译可以变成一个执行程序，执行程序包含了代码段，数据段和数据结构等。这样的程序是放在文件系统里，以一种执行文件的形态存在，是静态存在的，无法看到它可以完成什么样的功能；只有当OS将其调入内存中，让这个程序跑起来，通过CPU执行程序中的一条条指令、对相应数据进行处理，可以完成一定的功能。这一步是一个动态的执行过程，这个执行过程就是进程。进程是一个动态的过程，程序是静态的，他们之间有很深的联系，因为进程取决于程序的代码。
2.组成
进程具体需要执行的东西：
①相应的代码
②代码需要处理的数据
③现在要执行的指令
④一组通用寄存器的当前值、堆栈
寄存器中一般存着下一条要执行的指令位置，同时整个处理过程中他会用到大量CPU的寄存器，会动态变化。
⑤系统资源（内存、文件系统、网络等一系列的资源）
进程包含了一个正在运行的程序的状态信息。这个状态信息是比较抽象的概念。
3.进程与程序的联系
程序是产生进程的基础，进程的功能受制于程序的代码。程序的每一次执行构成了不同的进程，程序放在系统中可以被多次执行，且每次执行如果数据不同，则得到的结果也可能不同。当有多个进程执行这个程序时，可能会因为获得的资源不一样而获得不同的结果。进程就是程序功能的体现，数据不同，但是其逻辑原理是一样的，排序程序，输入不同输出不一定相同但是一定是一个排序的程序。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。
区别：进程是动态的；程序是静态的。程序是有序代码的集合，进程是程序的执行，进程有核心态和用户态。
核心态就是在操作系统中运行，我们写的程序都是运行在用户态。进程在执行过程中需要一些特定功能，比如读写文件，这个功能需要由OS完成，所以代表进程在内核中执行，也就说进程处于核心态。
进程是暂时的，程序是永久的。进程是一个状态变化的过程，程序可以长久保存。程序保存在硬盘中，可以长久保存；进程随着结束自然也就消失了。
进程与程序的组成不同。进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。虽然进程用到了程序的代码段和数据段等数据结构，但是进程执行过程中也有一些变化，处理数据时，数据在变；这个过程在程序中不存在的。处理输入数据对应产生输出数据，为了管理进程OS而建立的进程控制块等。
【例子】
很明显医疗救护的优先级要高于做蛋糕，在处理完伤口后回来做蛋糕发现未完成的蛋糕上落满了苍蝇，科学家决定倒掉重做，这就是杀死进程。也就说CPU在执行进程时，会动态切换不同进程来完成不同的功能，这也是静态程序所没有的特征。
4.特点
动态性：可动态创建、结束进程。在执行过程中还有可能切换或者杀死进程。
并发性：进程可以被独立调度并占用CPU运行。
并发：一段时间内通过不但切换有多个进程在CPU中不断切换执行，如果这个时间很小，给人一种错觉是多个进程在同时执行。假·同时执行，是一种人感觉不到的错觉
并行：一个时刻，有多个进程在同时执行。如果只有一个CPU是不可能完成的，一个CPU在某一时刻只能执行一个进程，执行其他执行必须切换。多核/多处理器CPU时，可以满足并发执行。真·同时执行
独立性：不同进程之间的工作互不影响。执行进程时，OS会调度不同进程执行，所以进程的执行时间可能会受到其他进程的影响；但是进程的正确性不会受到影响，进程不会破坏其他进程的正确执行（代码/数据）。
通过页表可以使得不同的程序访问不同的地址空间，页表就是保证进程独立性的重要机制。有了页表，OS可以给不同进程分配不同页表，让每个进程在独立的空间内运行，使得他们的代码数据相互间不受影响。
制约性：因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约。进程之间可能有交互，或者某一进程需要在另一个进程在执行到某一阶段之后才能执行（前置条件),所以这也需要OS根据进程间的特点来协调进程去执行。
左图：体现动态性，在ABCD间切换执行。
中图：四个进程相对独立执行，他们执行的地址空间相对独立
右图：相互之间时间调度有一定的关系，执行的先后顺序需要OS调度策略或算法，或者存在约束关系（必须执行A才能执行B）。
进程控制块
操作系统也是一个软件，一个程序，描述进程的数据结构：进程控制块（Process Control Block,PCB）。描述进程执行过程中状态的变化和资源的需求情况。OS为每一个进程都维护了一个PCB，用于保存该进程执行过程中相关的所有信息，有了这些信息之后OS才可以对其管理，提供相应的独立性、动态性等特征。
设计一个程序，数据结构是非常重要的。有了数据结构就可以很好地对进程管理。PCB描述了进程的基本情况和运行变化情况，所以一般来说我们可以把PCB作为进程存在的唯一标识，也就意味着如果进程存在则必然有一个PCB。一旦创建进程，就会相应创建一个进程控制块。
PCB 体现了什么时候开始，什么时候结束，中间是否被切换。
PCB包含的三大类信息：
1.标识信息：一个PCB唯一标识了一个进程，PCB会有一个ID，这个ID就是个标识，他可以识别出进程代表的哪一个程序，或者这一个程序执行了几次，都可以通过PCB的进程标识来体现。还可以体现用户标识，比如这个进程属于哪一个用户，进程的父进程是什么（创建这个进程的进程）
2.处理器的状态信息：其实就是寄存器。处理器是CPU。CPU运行过程中会使用寄存器来做很多事情，比如当前需要对数据进行加减乘除等数学结算，这个过程会把很多数据存到寄存器里进行处理；还会保存状态，比如标志位，做了一个寄存器加法，检验是否溢出；执行过程，堆栈在什么地方；和执行相关的一些过程的保存也放在寄存器里，比如程序计数器和程序状态字，他们 保存了程序执行过程中相关的一些重要信息，还有堆栈执行到什么地方了，这些信息PC里都有记录。
3.进程的控制信息：OS需要对进程进行管理和控制，我们需要让它占用CPU执行，让他处于一个等待/就绪/运行的状态，这些不同的状态体现了进程在执行过程中临时的情况（执行特征），这些特征会描述出当前进程的执行现状。
进程之间需要通信，通信的信息也会保存在PCB。
进程本身需要内存，代码和数据都在内存中，管理其内存信息。比如占不到内存，是否回收；是否分配新的内存；
包括文件（后续详解）。一个进程可以打开不同的文件，整个过程怎么管理。
进程之间有关系，父进程和子进程。我们可以通过List链表来管理器来一个子进程与父进程的连续序列，从而形成PCB之间的链接信息和管理信息，从而形成了进程控制信息。
ex）进程A创建进程B，进程B可以创建进程C，则A是B的父进程，B是A的子进程；B是C的父进程，C是B的子进程。
PCB的组织方式：
我们可以用链表/索引（数组方式）来组织，但是一般我们会采取链表来组织，因为进程的执行过程是一个动态的执行过程，也就意味着OS在管理进程时，他会一会创建一会结束，在整个组织里他应该可以动态插入和动态删除，用链表的方式可以更好地完成动态插入和删除。如果是数组的话，动态的插入和删除开销可能会比较大。所以目前来说更多采取基于链表的方式，当然如果一个进程个数比较固定且一开始就执行，到结束也不会频繁的创建删除的话，采取索引的方式比较快捷。