7.1 进程的概念

进程（Process）是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，是程序运行的实例。我们平时打开的应用程序、运行的服务都是进程。理解进程的基本概念，是理解整个操作系统和并发编程的基础。

什么是进程

进程是程序的一次执行过程，是操作系统分配资源（内存、CPU时间、文件句柄等）的基本单位。

进程和程序的区别

• 程序：是静态的指令和数据的集合，存储在磁盘上，是永久的
• 进程：是程序的动态执行过程，有生命周期，是暂时的，同一个程序可以对应多个进程（比如打开多个浏览器窗口，就是同一个浏览器程序的多个进程）

进程的组成

一个进程通常包含以下内容：

1. 代码段：程序的可执行代码
2. 数据段：全局变量和静态变量
3. 堆：动态分配的内存（malloc/new分配的内存）
4. 栈：函数调用栈，存储局部变量、函数参数、返回地址等
5. 进程控制块（PCB）：操作系统管理进程的数据结构，存储进程的所有信息
6. 打开的文件描述符：进程打开的文件、Socket等资源
7. 信号处理函数：进程对各种信号的处理方式
8. 地址空间：独立的虚拟地址空间

进程的特征

进程具有以下基本特征：

1. 动态性：进程是程序的一次执行过程，有生命周期，状态会不断变化
2. 并发性：多个进程可以同时在系统中运行，宏观上并行，微观上交替执行
3. 独立性：每个进程有独立的地址空间，进程之间互相隔离，一个进程的崩溃不会影响其他进程
4. 异步性：进程以不可预知的速度向前推进，操作系统需要保证进程执行的结果是确定的
5. 结构性：每个进程都有自己的代码段、数据段、栈、PCB等结构

进程的状态与生命周期

一个进程在其生命周期中会处于不同的状态，通常有五种基本状态：

1. 新建状态（New）

进程正在被创建，操作系统正在为其分配资源和初始化PCB，还没有准备好运行。

2. 就绪状态（Ready）

进程已经准备好运行，获得了除CPU之外的所有资源，等待被调度器分配CPU时间。

• 系统中会有一个就绪队列，存放所有处于就绪状态的进程

3. 运行状态（Running）

进程正在CPU上执行指令，单核CPU同一时间只能有一个进程处于运行状态，多核CPU可以有多个进程同时运行。

4. 阻塞状态（Blocked / Waiting）

进程正在等待某个事件发生（比如等待IO完成、等待信号、等待锁），暂时无法运行，即使CPU空闲也不能执行。

• 等待的事件发生后，进程会进入就绪状态，等待调度

5. 终止状态（Terminated）

进程执行完成或者被异常终止，等待操作系统回收资源。

状态转换

新建 → 就绪 → 运行 → 终止
        ↓↑   ↓↑
        阻塞 ←

• 就绪 → 运行：调度器选择一个就绪进程分配CPU
• 运行 → 就绪：进程时间片用完，或者被更高优先级的进程抢占
• 运行 → 阻塞：进程等待某个事件（IO、锁、信号等）
• 阻塞 → 就绪：等待的事件发生了
• 运行 → 终止：进程执行完成，或者被杀死

进程控制块（PCB）

进程控制块（Process Control Block）是操作系统中用来描述和管理进程的数据结构，每个进程对应一个唯一的PCB，存储了进程的所有信息。

PCB通常包含以下信息：

1. 进程标识信息：进程ID（PID）、父进程ID（PPID）、用户ID（UID）、组ID（GID）等
2. 进程状态信息：当前状态（就绪、运行、阻塞等）、优先级、调度相关信息
3. 进程控制信息：程序计数器（PC，下一条要执行的指令地址）、寄存器的值（上下文切换时保存）
4. 内存管理信息：页表指针、虚拟地址空间信息、内存使用情况
5. IO信息：打开的文件描述符列表、IO设备使用情况
6. 统计信息：CPU使用时间、内存使用情况、IO操作统计等

操作系统通过PCB来管理所有进程，进程切换时，操作系统会保存当前进程的上下文到PCB中，然后加载下一个进程的上下文。

进程的创建与销毁

进程的创建

操作系统创建进程的通常步骤：

1. 分配一个唯一的PID，创建PCB
2. 为进程分配地址空间和资源
3. 初始化PCB，设置默认的进程状态、优先级等
4. 将进程加入就绪队列，等待调度执行

常见的创建进程的系统调用：

• Unix/Linux：fork()创建子进程，exec()系列函数加载新的程序
• Windows：CreateProcess()函数创建新进程

fork()的特点

Unix/Linux中的fork()系统调用会创建一个和父进程几乎完全一样的子进程：

• 子进程获得父进程地址空间的副本，父子进程有独立的地址空间，修改各自的数据不会互相影响
• fork()调用一次返回两次：父进程返回子进程的PID，子进程返回0
• 子进程会继承父进程的打开的文件描述符、信号处理方式、优先级等
• 通常fork()之后会调用exec()加载新的程序，替换子进程的地址空间

进程的销毁

进程终止的方式：

1. 正常终止：进程执行完成，调用exit()系统调用主动退出，返回退出状态码
2. 异常终止：进程运行时出现错误（比如段错误、除零错误），被操作系统终止
3. 被其他进程杀死：其他进程调用kill()系统调用发送终止信号

进程终止后，操作系统会回收进程占用的资源（内存、文件句柄等），但PCB会保留一段时间，保存退出状态码，直到父进程调用wait()或者waitpid()获取退出状态，这时候PCB才会被完全回收。如果父进程没有调用wait()，已经终止的子进程会变成僵尸进程（Zombie Process）。

进程的层次结构

进程之间有父子关系，形成树形的层次结构：

• 每个进程都有一个父进程，除了系统启动时创建的init进程（PID=1）
• 父进程创建子进程，子进程可以再创建自己的子进程
• 父进程终止时，子进程会被init进程收养

常见的特殊进程

1. init进程（PID=1）：系统启动后运行的第一个用户态进程，负责启动其他系统服务，是所有进程的祖先。
2. 僵尸进程：子进程已经终止，但父进程没有调用wait()回收它的PCB，子进程的PCB仍然存在，占用PID资源，需要避免僵尸进程。
3. 孤儿进程：父进程已经终止，子进程还在运行，会被init进程收养，由init进程负责回收。
4. 守护进程（Daemon Process）：在后台运行的服务进程，没有控制终端，通常系统服务都是守护进程，比如httpd、sshd等。

进程的并发执行

多个进程可以同时在系统中运行，宏观上是并行的，用户感觉多个程序同时在执行；微观上，单核CPU上进程是交替执行的，通过快速的上下文切换，让用户感觉是同时运行的。

进程并发执行的好处：

1. 提高CPU利用率，避免CPU等待IO时空闲
2. 提高系统吞吐量，同时处理多个任务
3. 改善用户体验，用户可以同时运行多个程序，不会因为一个程序卡住而影响其他程序

思考问题

1. 进程和程序有什么区别？同一个程序可以对应多个进程吗？举例说明。
2. 进程有哪几种基本状态？它们之间是如何转换的？
3. 什么是PCB？它存储了哪些信息？为什么需要PCB？
4. 什么是僵尸进程和孤儿进程？它们有什么危害？如何避免僵尸进程？