進程，就這一篇！

前言

你的進程，爲啥掛了？進程掛了，這個問題大家並不陌生。學完這篇，你會對進程有一定了解。後面碰到進程掛的情況，你很快能找到對應解決思路。

進程在操作系統中，是一個很重要的概念。你熟悉操作系統，能避免一些坑，寫出高質量的代碼。

windows 界面設置真炫酷，不多說。下面用動畫加文字的方式，給大家講述。

爲什麼需要進程

通常程序不能併發執行，因爲程序併發執行的結果，是不可再現的。爲了使程序，可以併發執行，且能對其加以描述和控制，引入了進程的概念。

上面把小人比作程序，操作系統中一次只能跑一個程序，除非引入進程。

進程的特徵和定義

進程是程序的一次執行，是系統進行資源分配調度的獨立單位。

**結構特徵：**爲了使程序能夠獨立運行，應配置一個進程控制塊 PCB。進程是由程序段，相關的數據段和 PCB（進程控制塊）三部分構成的。

**動態性：**進程是程序的一次執行，由創建而產生，由調度而執行，由撤銷而消亡，進程存在一定的生命週期。

**併發性：**多個進程實體，同存在於內存中，且能在一段時間內同時運行。

**獨立性：**進程實體，是一個能獨立運行，獨立分配資源，獨立接收調度的基本單位。
**
異步性：**進程按自己獨立的不可預知的速度推進。

下面動畫，把小人比作進程，展示的進程的創建，銷燬，動態性，併發性，獨立性，異步性。

進程的狀態及轉換

**創建：**保證進程的調度，必須在創建工作完成以後，再進行。確保，對進程控制塊 PCB 操作的完整性。

**就緒：**進程已分配到除 CPU 外的所有必要資源。

**執行：**進程已獲得 CPU，其指令集正在執行。

阻塞 / 掛起
正在執行的進程由於發生某事件導致暫時無法繼續執行。

終止：等待其他進程收集完信息後，將刪除該進程，清空 PCB 並返還給系統。

下面是進程狀態圖：

PCB 進程控制塊

獨立運行基本單位的標誌：創建進程時創建 PCB，進程結束時回 PCB，進程隨之消亡。系統是通過 PCB，感知進程的存在。PCB 已成爲，進程存在於系統中的唯一標誌。

實現間斷性運行方式：進程暫停運行時，必須保留，運行時的 CPU 等相關信息。進程被再次運行時，需恢復 CPU 等相關信息。

提供進程管理需要的信息：當進程開始運行時，根據該進程 PCB 中，記錄的程序和數據，在內存或外存中起始地址指針，找到相應的程序和數據。

提供進程調度需要的信息：只有處於就緒狀態的進程，才能被調度。而進程的狀態就記錄在 PCB 中、以及優先級、等待時間、已執行時間等其他信息。

實現與其他進程的同步與通信：進程同步機制，用於實現多進程協調運行。在 PCB 中，具有實現進程通信的區域或通信隊列指針等。

PCB 進程控制塊中的信息：PCB 中的信息大致上可分爲 4 類，分別是：進程標識符、CPU 狀態、調度信息、控制信息。

**進程標識符：**分外部標識符和內部標識符，外部標識符即進程名稱，可由父進程指定，通常包括字符和數字的組成。內部標識符，由操作系統提供的，具有唯一性的進程 ID。

**CPU 狀態：**主要由各種寄存器中內容組成，如通用寄存器、指令計數器（下一條指令的地址）、程序狀態（狀態信息、條件碼、執行方式、屏蔽中斷等標誌）和棧指針（指向用於存放過程和系統調用參數及調用地址的系統棧的棧頂）構成。

**調度信息：**包含進程狀態、進程優先級、其他信息、事件（阻塞原因）。
進程狀態，是進程調度和對換時的依據，優先級高的進程，應優先獲得 CPU 執行。

控制進程所必須的信息，包括程序和數據的存儲地址，以便調度該進程執行時，能從 PCB 中找到其程序和數據，進程同步和通信機制，如消息隊列、信號量等。

進程的創建和終止過程

創建**進程過程：**向操作系統申請空白 PCB 及進程 ID、分配運行所需的資源、初始化 PCB、等待插入進程調度就緒隊列。

相關資源或從操作系統或從父進程獲得，資源需求需提前告知，操作系統或父進程好爲其分配資源。

PCB 至少有 2 種信息需要初始化
1. 標識信息，即將本進程 ID 和父進程 ID 填入 PCB 控制塊中
2. 狀態信息，指令計數器指向程序的入口地址、棧指針指向棧頂控制信息。

進程的終止分爲：讀取進程狀態、終止進程、終止子孫進程、釋放資源、移出 PCB 隊列。
操作系統通過進程 ID 從 PCB 集合中檢索出該進程的 PCB，從中讀出該進程的狀態。

如果該進程狀態爲執行態，則終止進程的執行，並重置調度標誌位真。
如果該進程擁有子孫進程，則一併將所有子孫進程終止，防止子孫進程成爲殭屍進程等不可控的進程。

接着釋放資源，將資源歸還給操作系統或父進程。最後就是移出 PCB 隊列了，等待其他進程蒐集信息。

進程阻塞和喚醒的事件
1. 請求系統服務而得不到滿足時，如問系統請求打印。

2. 啓動的操作需同步時：如該操作和請求該操作的進程需同步運行。

3. 新數據尚未到達：如進程 A 寫，進程 B 讀，則 A 未寫，完 B 不能讀。

4. 無新工作可做。

進程的掛起和激活
1. 進程的掛起過程，由進程自己，或其父進程 suspend 原語完成。將該進程 PCB 移到指定區域，注意狀態的改變，有可能要重新調度。

2. 進程的激活過程，激活 active 原語激活進程。激活原語將進程從外存調入內存，檢查該進程的現行狀態並進行相應操作。

進程同步

動畫展示，臨界區的資源，在某個時刻，只能有一個進程在使用。**

臨界資源**
一旦有對資源的共享，就必然涉及競爭限制。
臨界資源用來表示一種，公共資源或者說是共享數據，可以被多個線程使用。
但是每一次，只能有一個線程使用它。一旦臨界資源被佔用，其他線程，要想使用這個資源，就必須等待。

進程同步的主要任務是，對多個相關進程，在執行次序上進行協調，以使併發執行的諸進程之間，能有效地共享資源和相互合作，從而使程序的執行，具有可再現性。

臨界區
有了臨界資源的概念，就很容易理解臨界區的概念。在程序中，所有的操作，都是通過代碼執行的，訪問臨界資源的那段代碼就是臨界區

處理競爭或者合作依賴導致的制約
空閒讓進：對於臨界資源，如果空閒沒有被使用，誰來了之後都可以使用

忙則等待：如果臨界資源正在被使用，那麼其他後來者就需要進行等待。

有限等待：要求訪問臨界資源的進程，應保證有限時間內，能進入自己的臨界區，自己不能傻傻的等

讓權等待：如果無法進入自己的臨界區時，應立即釋放處理機，而不能佔着 CPU 死等，你死等就算了，別人卻也不能用了。

鎖

**鎖
**鎖就是對資源施加控制，鎖指的是一種控制權。
當進入臨界區時，我們稱之爲獲得鎖，獲得鎖之後就可以訪問臨界資源。

其他線程想要進入臨界區，也需要先獲得鎖。
當前線程結束後，將會釋放鎖，別的線程就可以獲取這個資源的鎖。

死鎖
鎖表示一種控制權，對臨界資源的訪問權限。

下面動畫展示，兩個小人，都要使用資源 1 和資源 2，才能達到對面。左邊小人戰友資源 1，右邊小人佔有資源 2。他們佔有當前資源，再去獲取對方的資源時，就會產生死鎖的情況。

如果臨界資源不止一個，就可能出現：需要先後訪問兩種臨界資源 A 和 B，thread1 獲得了 A 線程的鎖之後，等待獲得 B 的鎖，但是 thread2 獲得了資源 B 的鎖，在等待 A 資源的鎖，這就出現了互相等待的情況。

解決方案
AND 型信號量機制就是用於解決這種多共享資源下的同步問題的。
將進程在整個運行過程中，需要的所有資源，一次性全部地分配給進程，待進程使用完後再一起釋放。

只要尚有一個資源未能分配給進程，其它所有可能爲之分配的資源，也不分配給它。
也就是對，若干個臨界資源的分配，採取原子操作方式：要麼把它所請求的資源全部分配到進程，要麼一個也不分配。

進程間通信

如果兩個進程，想要知道對方在幹嘛，或者進行協調運行，就需要進程間通信。下面介紹一下常見的進程間通信方式。

**無名管道：**管道是一種半雙工的通信方式。數據只能單向流動，而且只能在，具有親緣關係的進程間使用。進程間的親緣關係，通常指父子進程關係。

**有名管道：**有名管道也是，半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關係進程間的通信。

消息隊列：消息隊列是有消息的鏈表，存放在內核中，並由消息隊列標識符標識。它克服了信號傳遞信息少，管道只能承載無格式字符流以及緩衝區大小受限等特點。

**信號量：**是一個計數器，可以用來控制多個進程對共享內存的訪問。它作爲一種鎖機制，防止某個進程，正在訪問共享資源的時候，其他進程也訪問該資源，造成資源搶佔。

**信號：**一種較複雜的通信方式，用於通知和接收進程某個事件的發生。

**共享內存：**是映射一段能被其他進程所訪問的內存，這段共享內存由一個進程創建，但多個進程都可以訪問。

**套接字：**是一種進程間通信機制，與其他通信機制不同的是，它可用於不同機器間的進程通信。

絮叨

上面介紹了一些進程相關的基礎知識，希望能幫到大家。
進程，作爲操作系統中的重要概念，不管在工作還是面試中，都會涉及到。

祝大家學習愉快！

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/6BbHMuw3-eEEhX4L_73uPw

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