🌹😊🌹博客主页：【Hello_shuoCSDN博客】
✨C语言知识详见：【C语言专项】
目录
[1.1 进程的概念（理解"进程"和"程序"的区别）](#1.1 进程的概念（理解“进程”和“程序”的区别）)
[1.2 进程的组成](#1.2 进程的组成)
[1.2.1 进程的组成------PCB](#1.2.1 进程的组成——PCB)
[1.2.2 进程的组成------程序段、数据段](#1.2.2 进程的组成——程序段、数据段)
[1.3 程序是如何运行的？](#1.3 程序是如何运行的？)
[1.4 进程的特征](#1.4 进程的特征)
[2.1 进程的状态和状态的转换](#2.1 进程的状态和状态的转换)
[2.1.1 进程的状态------创建态、就绪态](#2.1.1 进程的状态——创建态、就绪态)
[2.1.2 进程的状态------运行态](#2.1.2 进程的状态——运行态)
[2.1.3 进程的状态------阻塞态](#2.1.3 进程的状态——阻塞态)
[2.1.4 进程的状态------终止态](#2.1.4 进程的状态——终止态)
[2.1.5 进程状态的转换](#2.1.5 进程状态的转换)
[2.1.6 进程的状态](#2.1.6 进程的状态)
[2.2 进程的组织](#2.2 进程的组织)
[2.2.1 进程的组织------链接方式](#2.2.1 进程的组织——链接方式)
[2.2.2 进程的组织------索引方式](#2.2.2 进程的组织——索引方式)
[3.1 进程控制的基本概念](#3.1 进程控制的基本概念)
[3.1.1 什么是进程控制？](#3.1.1 什么是进程控制？)
[3.1.2 如何实现进程控制？](#3.1.2 如何实现进程控制？)
[3.1.3 如何实现原语的 "原子性" ？](#3.1.3 如何实现原语的 “原子性” ？)
[3.2 进程控制相关的原语](#3.2 进程控制相关的原语)
[3.2.1 进程的创建](#3.2.1 进程的创建)
[3.2.2 进程的终止](#3.2.2 进程的终止)
[3.2.3 进程的阻塞和唤醒](#3.2.3 进程的阻塞和唤醒)
[3.2.4 进程的切换](#3.2.4 进程的切换)
[3.2.5 程序是如何运行的（知识扩展）](#3.2.5 程序是如何运行的（知识扩展）)
[4.1 共享存储](#4.1 共享存储)
[4.2 消息传递](#4.2 消息传递)
[4.3 管道通信](#4.3 管道通信)
一、进程的概念、组成、特征
1.1 进程的概念（理解"进程"和"程序"的区别）
程序： 是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。
进程（Process）： 是动态的，是程序的一次执行过程。（同一个程序多次执行会对应多个进程）
1.2 进程的组成
1.2.1 进程的组成------PCB
思考：操作系统是这些进程的管理者，它要怎么区分各个进程？
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 "身份证号" ------PID（Process ID，进程ID）
操作系统要记录PID、进程所属用户ID（UID）------基本的进程描述信息，可以让操作系统区分各个进程。
还要记录给进程分配了哪些资源（如：分配了多少内存、正在使用哪些1/0设备、正在使用哪些文件）------可用于实现操作系统对资源的管理。
还要记录进程的运行情况（如：CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等）------可用于实现操作系统对进程的控制、调度。
这些信息都被保存在一个数据结构PCB （Process Control Block）中，即进程控制块。
操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中。
1.2.2 进程的组成------程序段、数据段
PCB是给操作系统用的。
程序段、数据段是给进程自己用的。
1.3 程序是如何运行的？
当写完一个程序，编译链接后会形成一个可执行文件（Windows系统下的.exe可执行文件），可执行文件是存放在硬盘当中的，硬盘中保存的就是我们刚才的一些列指令序列，当程序想要运行的话需要把它从硬盘读到内存中，操作系统会建立一个与之相关的进程，会创建相应的PCB，另外一些列的指令序列也要读入到内存中，这一系列指令序列我们称为程序段，其实这个进程执行的过程就是CPU从内存当中读如一条一条的指令，来执行这一条一条指令的过程。因为在执行指令的过程中，还会产生一些中间的数据，如 (int x=1 ; x++后 x=2 ）这些数据会放在数据段的区域。
一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成。
进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的。进程实体反应了进程在某一时刻的状态（如：x++后，×=2）
进程的组成
程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程影像）
引入进程实体的感念后，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（一个进程被 "调度" 就是指操作系统决定让这个进程上CPU运行）的一个独立单位。
注意：PCB是进程存在的唯一标志！
1.4 进程的特征
程序是静态的，进程是动态的，相比于程序，进程拥有以下特征：
①：动态性------进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
②：并发性------内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
③：独立性------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
④：异步性------各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供"进程同步机制"来解决异步问题
⑤：结构性------每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成
动态性是进程最基本的特征
异步性会导致并发程序执行结果的不确定性。
小结：
二、进程的状态与转换、进程的组织
2.1 进程的状态和状态的转换
2.1.1 进程的状态------创建态、就绪态
进程正在被创建时，它的状态是"创建态"，在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB。
当进程创建完成后，便进入"就绪态"，处于就绪态的进程已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，就暂时不能运行。
2.1.2 进程的状态------运行态
如果一个进程此时在CPU上运行，那么这个进程处于"运行态"。
CPU会执行该进程对应的程序（执行指令序列）
假设进程2依次在CPU上执行指令1、指令2、指令3：发出系统调用，请求使用打印机资源、指令4：输出数据到打印机。但是这时的打印机处于工作占用状态，所以无法执行指令4，在获取所需资源之前，进程无法再往下执行。
2.1.3 进程的状态------阻塞态
在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（如等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的响应）。
在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入"阻塞态"。
当CPU空闲时，又会选择另一个"就绪态" 进程上CPU运行。
2.1.4 进程的状态------终止态
一个进程可以执行 exit 系统调用，请求操作系统终止该进程。
此时该进程会进入"终止态"，操作系统会让该进程下CPU，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的PCB。
当终止进程的工作完成之后，这个进程就彻底消失了。
2.1.5 进程状态的转换
阻塞态------>就绪态是不是进程自身能控制的，是一种被动行为。
运行态------> 阻塞态是一种进程自身做出的主动行为。
注意：不能由阻塞态直接转换为运行态，也不能由就绪态直接转换为阻塞态（因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求）。
2.1.6 进程的状态
三种基本状态（进程的整个生命周期中，大部分时间都处于三种基本状态）
运行态（Running） 占有CPU，并在CPU上运行 。 （单CPU情况下，同一时刻只会有一个进程处于运行态，多核CPU情况下，可能有多个进程处于运行态）
就绪态 （Ready）已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行。
阻塞态（Waiting/Blocked, 又称：等待态）因等待某一事件而暂时不能运行。
另外两种状态
创建态（New，又称：新建态） 进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB。
终止态（Terminated，又称：结束态）进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB。
进程PCB中，会有一个变量state 来表示进程的当前状态。如：1表示创建态、2表示就绪态、3表示运行态为了对同一个状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来。
2.2 进程的组织
2.2.1 进程的组织------链接方式
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
2.2.2 进程的组织------索引方式
小结：
三、进程控制
3.1 进程控制的基本概念
3.1.1 什么是进程控制？
进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、'撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
简化理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换
3.1.2 如何实现进程控制？
进程控制是用 "原语" 实现的。
原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可中断。
原语的执行具有"原子性"，一气呵成。
可以用 "原语" 来实现 "一气呵成"。
如果不能"一气呵成"，就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作.
⭐（扩展知识详见：计算机系统的层次结构（点我））
Eg：假设PCB中的变量 state 表示进程当前所处状态，1表示就绪态，2表示阻塞态⋯
假设此时进程2等待的事件发生，则操作系统中，负责进程控制的内核程序至少需要做这样两件事：
①将PCB2的 state 设为1
（完成了第一步后收到中断信号，那么PCB2中的state=1，但他却被放在阻塞队列里）
②将PCB2从阻塞队列放到就绪队列
3.1.3 如何实现原语的 "原子性" ？
原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。可以用"关中断指令"和"开中断指令"这两个特权指令实现原子性。
正常情况下指令会一条一条向下执行，有中断信号时，操作系统就会去执行中断信号，中断信号处理结束后转而继续执行相应程序。
正常情况：CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。
CPU执行了关中断指令之后，就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查。
这样，关中断、开中断之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了"原子性"。
思考：如果这两个特权指令允许用户程序使用的话，会发生什么情况？
当这两个特权指令允许用户程序使用的话，用户程序在CPU上运行就不会再受到中断信号的影响，那么该用户程序就会一直在CPU上面运行，霸占CPU。
3.2 进程控制相关的原语
3.2.1 进程的创建
创建原语：（操作系统创建一个进程时使用的原语）
① 申请空白PCB
② 为新进程分配所需资源
③ 初始化PCB
④ 将PCB插入就绪队列 （创建态------>就绪态）
引起进程创建的事件：
用户登录------分时系统中，用户登录成功，系统会建立为其建立一个新的进程。
作业调度------多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程。
提供服务------用户向操作系统提出某些请求时，会新建一个进程处理该请求。
应用请求------由用户进程主动请求创建一个子进程。
3.2.2 进程的终止
撤销原语：（就绪态/阻塞态/运行态------>终止态------>无）
① 从PCB集合中找到终止进程的PCB
② 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
③ 终止其所有子进程。（进程间的关系是树形结构）
④ 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
⑤ 删除PCB
引起进程终止的事件：
正常结束------进程自己请求终止（exit系统调用）。
异常结束------整数除以O、非法使用特权指令，然后被操作系统强行杀掉。
外界干预------Ctrl+Alt+delete，用户选择杀掉进程。
关于父进程和子进程
3.2.3 进程的阻塞和唤醒
（阻塞原语唤醒原语必须成对使用）
一、进程的阻塞
1.阻塞原语（运行态------>阻塞态）
① 找到要阻塞的进程对应的PCB
② 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为"阻塞态"，暂时停止进程运行
③ 将PCB插入相应事件的等待队列
2.引起进程阻塞的事件
需要等待系统分配某种资源
需要等待相互合作的其他进程完成工作
二.进程的唤醒
1.唤醒原语（阻塞态------>就绪态）
① 在事件等待队列中找到PCB
② 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
③ 将PCB插入就绪队列，等待被调度
2.引起进程唤醒的事件
等待的事件发生（因何事阻塞，就应由何事唤醒）
3.2.4 进程的切换
切换原语 （运行态------>就绪态）（就绪态------>运行态）
① 将运行环境信息（进程上下文（context））存入PCB
② PCB移入相应队列
③ 选择另一个进程执行，并更新其PCB
④ 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
引起进程切换的事件
当前进程时间片到
有更高优先级的进程到达
当前进程主动阻塞
当前进程终止
3.2.5 程序是如何运行的（知识扩展）
CPU中会设置很多"寄存器"，用来存放程序运行过程中所需的某些数据。
指令1、指令2、指令3....这些指令在顺序执行的过程中，很多中间结果是放在各种寄存器中的。
思考： 执行完指令3后，另一个进程开始上CPU运行。另一个进程在上CPU上运行的时候，有可能会把前一个进程在寄存器中保留的中间结果给覆盖住。
注意：另一个进程在运行过程中也会使用各个寄存器。
解决办法：在进程切换时先在PCB中保存这个进程的运行环境（保存一些必要的寄存器信息）
当原来的进程再次投入运行时，可以通过PCB恢复它的运行环境。
无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事情：
1.更新PCB中的信息（修改进程状态（state）保存/恢复运行环境）
2.将PCB插入合适的队列
3.分配/回收资源
小结：
四、进程通信
什么是进程间通信？
进程间通信 （Inter-Process Communication,IPC）是指两个进程之间产生数据交互。
为什么进程通信需要操作系统支持？
进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
当进程P想要和Q进行数据之间的传输时，两个进程不能直接进行数据之间的访问，好比手机中如果不小心下载了一个垃圾软件的话，进程间如果可以直接进行数据访问就有可能垃圾软件访问手机照片，电话微信数据等...造成信息的泄露。所以，为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。
既然两个进程之间不能直接进行，下面我们就来介绍三种进程通信的方式：共享存储、消息传递、管道通信。
4.1 共享存储
（基于数据结构的共享、基于存储区的共享）
进程申请一块共享存储区，而这片共享存储区也可以被其他进程所共享，这样一来，进程P先申请一片共享存储区把数据写入进去，然后进程Q再从共享存储区中读出数据，通过共享存储区来实现数据之间的交换。
为避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。
各个进程可使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如P、V操作）
注：通过"增加页表项/段表项"即可将同一片共享内存区映射到各个进程的地址空间中。
Linux 中，如何实现共享内存：
int shm_open (....) ; // 通过 shm_open 系统调用，申请一片共享内存区。
void * mmap (.....) ; //通过 mmap 系统调用，将共享内存区映射到进程自己的地址空间。
基于存储区的共享：
操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。
基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度次10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
4.2 消息传递
进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位。进程通过操作系统提供的"发送消息/接收消息"两个原语进行数据交换。
消息传递：
①：直接通信方式------消息发送进程要指明接受进程的ID。
②：间接通信方式------通过 "信箱" 间接地通信。因此又称 "信箱通信方式"。
消息传递------直接通信方式
操作系统的内核中，包含着各个进程的PCB，进程的PCB中又包含了该进程的消息队列，就是其他进程给进程Q发送的这些消息，进程Q所接收的这些消息，都挂在进程Q的消息队列里面，进程P在给进程Q发送信息时，需要先在自己的地盘（地址空间）上完善消息的信息（消息头、消息体），接下来进程P使用发送原语，操作系统内核会接受并且放入进程Q的消息队列中，进程Q再使用接收原语，接收消息。
消息传递之~直接通信方式，点名道姓的消息传递。
消息传递------间接通信方式
进程P通过系统调用，申请一个邮箱，也可以申请多个邮箱，首先进程P要先在自己的地盘（地址空间）上完善消息的信息（消息头、消息体），进程P使用发送原语，指明要发送的哪个信箱（并没有指明发给哪个进程），进程Q使用接受原语，复制过来。
间接通信方式，以"信箱"作为中间实体进行消息传递。
可以多个进程往同一个信箱send消息，也可以多个进程从同一个信箱中receive消息。
4.3 管道通信
"管道"是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内，存缓冲区。
半双工通信：
全双工通信：
1.管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现）
当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。
当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。
管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：①一个管道允许多个写进程，一个读进程；②允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据（Linux 的方案）。
！注意：
写进程往管道写数据，即便管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据。
读进程从管道读数据，即便管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据。
小结：
以上便是本篇关于操作系统------进程 方面的相关内容，耗时较长制作不易，如果有帮到你，还请大家多多支持！！！后续还会为大家呈现更多优质内容，可以加个关注，防止走丢哦！