计算机操作系统中的进程基本概念

在单道程序设计操作系统中，程序的执行方式是顺序执行，即必须在一个程序执行完后，才允许另一个程序执行；在多道程序环境下，则允许多个程序并发执行。程序的这两种执行方式间有着显著的不同。也正是由于程序的并发执行才在操作系统中引入了进程的概念。下面，将简单介绍程序的顺序执行和并发执行方式。

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.1.1 程序的顺序执行及特征

1.程序的顺序执行

程序是实现算法的操作（指令）序列，程序执行的顺序性是指其在处理器上的执行严格有序，即只有在前一个操作结束后，才能开始后续操作，这称为程序内部的顺序性；如果完成一个任务需要若干不同程序，则这些程序也按照调用次序严格有序执行，这称为程序外部的顺序性。例如，在进行计算时，总需要先输入用户的程序和数据，然后进行计算，最后才能打印计算结果。用结点代表各程序段的操作（用圆圈表示），I代表输入操作，C代表计算操作，P为打印操作，用箭头指示操作的先后次序。这样，上述三个程序段的执行顺序如图3-1a所示。对一个程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序问题，例如对于下述三条语句的程序段：

S1：a=x+y；

S2：b=a+3；

S3：c=b+4；

其中，语句S2必须在语句S1之后才能执行（即a被赋值）；同样，语句S3也只能在b被赋值后才能执行。因此，这三条语句应按照图3-1b所示的顺序执行。

图3 1 程序的顺序执行

2.程序顺序执行时的特征

（1）顺序性。处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须在上一个操作结束之后开始。

（2）封闭性。运行程序独占全机资源，资源的状态只能由此程序本身决定和改变，不受外界因素影响。

（3）结果的确定性。程序在执行过程中允许出现中断，但这种中断不会对程序的最终结果产生影响，也就是说程序的执行结果与它的执行速度无关。

（4）可再现性。只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走”地执行，都将获得相同的结果。程序顺序执行时的特性，为程序员检测和校正程序的错误带来了很大的方便。

3.1.2 程序的并发执行及特征

1.程序的并发执行

在图3-1中的输入程序、计算程序和打印程序三者之间，存在I i→C i→P i这样的前趋关系，以至对一个作业的输入、计算和打印三个操作，必须顺序执行，但并不存在P i→I i＋1的关系，因而在对一批程序进行处理时，可使它们并发执行。例如，输入程序在输入第一个程序后，在计算程序对该程序进行计算的同时，可由输入程序再输入第二个程序，从而使第一个程序的计算操作可与第二个程序的输入操作并发执行。一般地，输入程序在输入第i＋1个程序时，计算程序可能正在对第i个程序进行计算，而打印程序正在打印第i－1个程序的计算结果。图3-2示出了输入、计算和打印这三个程序对一批作业进行处理的情况。

图3-2 并发执行时的前趋图

在该例中存在下述前趋关系：I i→C i，I i→I i＋1，C i→P i，C i→C i＋1，P i→P i＋1，而I i＋1和C i及P i－1是重叠的，亦即在P i－1和C i以及I i＋1之间，可以并发执行。对于具有下述四条语句的程序段：

S1：a=x+2

S2：b=y+4

S3：c=z+2

S4：d=a+b+c

S5：e=d+a

可画出图3-3所示的前趋关系。可以看出：S4必须在a，b和c被赋值后方能执行；S5必须在S4之后执行；但S1，S2和S3则可以并发执行，因为它们彼此互不依赖。

2.程序并发执行时的特征

程序的并发执行，虽然提高了系统吞吐量，但也产生了与程序顺序执行时不同的特征。(https://www.xing528.com)

（1）间断性。程序在并发执行时，共享CPU资源，由于操作系统的异步性使得并发程序具有“执行—暂停—执行”这种间断性的活动规律。

（2）失去封闭性。程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行失去封闭性。这样，某程序在执行时，必然会受到其他程序的影响。

（3）不可再现性。程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也将导致其再失去可再现性。例如，有两个循环进程A和B，它们共享一个变量M。进程A和B以不同的速度运行。这样，可能出现很多不同的情况（假定某时刻变量M的值为5）。比如：

A　　　　　　　　　　B

L1：M=M+1；　　　　　cout＜＜M；

Goto L1　　　　　　　M=0；

①先执行M＝M＋1，然后cout，M的值为6。

②执行M＝M＋1两次，然后切换到B，打印的M值为7。

这种情况说明，程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果已与并发程序的执行速度有关，从而使程序的执行失去了可再现性，亦即程序经过多次执行后，虽然它们执行时的环境和初始条件相同，但得到的结果却各不相同。

图3-3 五条语句的前趋关系

3.1.3 进程的定义及描述

1.进程的定义

在多道程序环境下，程序的执行属于并发执行，此时它们将失去其封闭性，并具有间断性及不可再现性的特征，因此，人们引入了“进程”的概念。进程是操作系统中最基本、最重要的概念，它是为了刻画系统内部的动态状况，描述运行程序的活动规律而引进的新概念。曾有许多人从不同的角度对进程下过定义，其中较典型的进程定义有：

（1）进程是程序的一次执行。

（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）进程是程序在一个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。

在引入了进程实体的概念后，可以把传统OS中的进程定义为：“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。”进程具有以下属性：

（1）结构特征。进程包含数据集合和运行于其上的程序，它至少由程序块、数据块和进程控制块等要素组成。

（2）动态性。进程是程序在数据集合上的一次执行过程，是动态的概念。同时，进程有生命周期，由创建而产生，由调度而执行，由事件而等待，由撤销而消亡，而程序则只是一组有序指令的集合，并存放于某种介质上，其本身并不具有运动的含义，因而是静态的。

（3）并发性。这是指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。并发性是进程的重要特征，同时也成为OS的重要特征。引入进程的目的也是使其进程实体能和其他进程实体并发执行；而程序（没有建立PCB）是不能并发执行的。

（4）独立性。在传统的OS中，独立性是指进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。凡未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行。

（5）异步性。异步性也称随机性，是指进程按各自独立的不可预知的速度向前推进，或说进程实体按异步方式运行。

2.进程的描述——进程映像

进程的活动包括占有处理器执行程序以及对相关的数据进行操作，因而程序和数据是进程必需的组成部分，两者刻画进程的静态特征。还需要数据结构来刻画进程的动态特征，描述进程状态、占用资源状况、调度信息等，通常使用一种称为进程控制块的数据结构。由于进程的状态在不断发生变化，某时刻进程的内容及其状态集合称为进程映像，包括以下要素。

（1）进程控制块。每个进程捆绑一个控制块，用来存储进程的标志信息、现场信息和控制信息。进程创建时建立进程控制块，进程撤销时收回进程控制块，它与进程一一对应。

（2）进程程序块。进程程序块是被执行的程序，规定进程的一次运行所应完成的功能。每个进程有且仅有一个进程控制块，或称进程描述符，它是进程存在的唯一标识，是操作系统用来记录和刻画进程状态及有关信息的数据结构，也是操作系统掌握进程的唯一资料结构和管理进程的主要依据。

（3）进程核心栈。每个进程捆绑一个核心栈，进程在核心态工作时使用，用来保护中断／异常现场，保存函数调用的参数和返回地址等。

（4）进程数据块。进程数据块是进程的私有地址空间，存放各种私有数据，用户栈也要在数据块中开辟，用于在函数调用时存放栈帧，局部变量等参数。