进程是可执行程序的实例，是资源分配和调度的基本单位。

进程：动态执行的程序 + 虚拟内存 + 虚拟 CPU

1、进程的状态

进程的基本状态

• 运行态 Running：进程正在占用 CPU。
• 就绪态 Ready：进程具备执行条件，等待获取 CPU。
• 阻塞态 Blocked：进程等待某一事件而暂停运行。

一个进程从运行态到阻塞态是主动行为，而从阻塞态到就绪态是被动行为，需要其他进程的协助

此外，进程的状态还包括

• 创建态 New：进程正在被创建
• 结束态 Exit：进程正在从系统中消失

为减少阻塞态的进程占用物理内存，在虚拟内存管理的操作系统中，通常会把阻塞态的进程换出到硬盘，等待再次运行时，再从硬盘换入到物理内存。这种进程没有占用物理内存的情况称为挂起态。ctrl + z

挂起态分为

• 阻塞挂起态：进程在外存并等待某个事件的出现
• 就绪挂起态：进程在外存，但只要进入内存，就能立刻执行

查看进程的状态

# 查看进程状态
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2、进程的组织

进程映像（进程实体）：PCB + 程序段 + 数据段

• 进程控制块 PCB：描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。
• 程序段：进程调度到 CPU 执行的代码段，可被多进程共享
• 数据段

PCB 是进程存在的唯一标识。创建进程就是创建进程映像中的 PCB，撤销进程就是撤销进程的 PCB。其中存储了各种静态信息，包括进程描述信息、进程控制和管理信息、资源分配清单、CPU 相关信息等。

例如：进程描述信息

• 进程标识符 PID：唯一标识进程
• 用户标识符 UID：进程归属的用户，用于共享和保护

// 返回调用进程的 PID
pid_t getpid(void);
// 返回父进程的 PID（创建调用进程的进程）
pid_t getppid(void);// 获取用户ID
uid_t getuid(void);
// 获取有效用户ID 
uid_t geteuid(void);// 获取组ID
gid_t getgid(void);
// 获取有效组ID
gid_t getegid(void);   

为了方便进程的调度和管理，内核将各进程的 PCB 组织起来，常用的方法有链接方式和索引方式。

链接方式：内核把相同状态的 PCB 链接到一个双向循环链表，组成任务队列。链表的节点类型为 task_struct ，也就是进程控制块 PCB。不同状态对应不同的任务队列，例如：就绪队列和阻塞队列

索引方式：将相同状态的进程组织在一个索引表中，索引表的表项指向相应的 PCB，不同状态对应不同的索引表等。

3、进程的控制

3.1、进程的创建

创建进程的过程（创建原语）

• 为新进程分配 PID，并申请一个空白的 PCB
• 为进程分配资源
• 初始化 PCB
• 将 PCB 插入到就绪队列，等待被调度运行；

fork 函数

父进程通过调用 fork 函数创建一个子进程。子进程是父进程的拷贝，子进程继承了父进程的地址空间（地址空间相同但是独立），共享文件。最大区别在于二者拥有不同的 PID。

fork 函数只被调用一次，却会返回两次：在父进程中，fork 返回子进程的 PID。在子进程中，fork 返回 0 。

// 返回值：子进程返回值为 0，父进程返回子进程的 PID。
pid_t fork(void);

fork 拷贝和共享

• 用户态拷贝：堆、栈、数据段、代码段，进程上下文，文件流，文件缓冲区
• 内核态：部分拷贝（文件描述符数组），部分共享（文件描述符指向的文件对象）

fork 原理

• 上半部：拷贝地址空间，修改子进程 task_struct，调整 PID 和 PPID 。随后，将子进程放入就绪队列等待调度，并将子进程的 fork 的返回值修改为 0，父进程的返回值设置为子进程的 PID。该过程不可抢占。
• 下半部：将返回值返回给两个进程，随后修改 PC 指针，让各进程继续执行后续的命令

fork 的写时复制

写时复制(Copy on Write, COW)：fork 调用时页表复制，并且将两个进程的每个页面标记为只读，父子进程共用一块物理内存。当有进程试图写操作时，触发缺页中断，从而进行物理内存的复制，并更新其页表项指向这个新的物理内存，然后恢复这个页面的可写权限。总之，谁修改，谁拷贝内存，子进程指向这块新内存。

写时复制的最充分地使用了稀有的物理内存，只有在发生写操作的时候，系统才会去复制物理内存，从而避免物理内存的复制过程导致进程长时间阻塞。

exec 函数族

在当前进程的上下文加载并执行一个程序

fork 函数在子进程中运行相同的程序，新的子进程是父进程的一个副本；exec 函数在当前进程的上下文加载并运行一个新的程序，会覆盖当前进程的地址空间。

exec 原理

• 代码段，数据段被替换
• 堆栈清空
• PC指针重新返回代码段的开始

例：实现 system 函数功能

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>extern char **environ;int Mysystem(const char* CMD) {if (CMD == NULL) {return 1;}if(fork() == 0) {execl("/bin/sh", "sh", "-c", CMD, NULL);_exit(127);}wait(NULL);
}// 测试样例：./mysystem date 实现 sysytem("date")
int main(int argc,char*argv[]) {Mysystem(argv[1]);return 0;
}

3.2、进程的终止

终止进程的过程（撤销原语）

• 根据被终止进程的 PID，检索 PCB，读取该进程的状态
• 若进程处于运行态，立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
• 如果进程还有子进程，则将该进程的子进程交给 init 进程（pid = 1）回收
• 将该进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程，或归还给操作系统；
• 将该 PCB 从所在队列中删除

exit 函数

以 status 退出状态来终止进程。

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

当一个进程由于某种原因终止时，内核并不是立即把它从系统中删除。相反，进程被保持在一种已终止的状态，直到被它的父进程回收。当父进程回收已终止的子进程时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后抛弃已终止的进程，至此该进程被终止。

* 僵死进程

僵死进程：一个终止但并未被回收的进程。

父进程需要及时回收已终止的子进程。因为僵死进程即使没有运行，仍然消耗系统的内存资源。

父进程调用 wait 或 waitpid 函数来等待它的子进程终止或停止。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>// 随机等待一个子进程
pid_t wait(int *status);
// 等待指定 pid 的子进程
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

* 孤儿进程

孤儿进程：父进程先于子进程退出。自动被养父 init 进程（pid = 1）收养。当一个孤儿进程退出后，它的资源清理会交给它的父进程（init 进程）来处理。但在此之前，它一直消耗系统的资源，要尽量避免。

3.3、进程的阻塞和唤醒

阻塞进程的过程：进程等待事件，主动调用 Block 原语

• 找到将要被阻塞进程 PID 对应的 PCB
• 如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞态，停止运行
• 将该 PCB 插入到相应事件的等待队列，将 CPU 调度给其他就绪进程

唤醒进程：其他相关进程调用，Wakeup 原语

唤醒进程的过程如下：

• 在该事件的等待队列中找到相应进程的 PCB
• 将其从队列中移出，并置其状态为就绪态
• 把该 PCB 插入就绪队列中，等待调度

Block 原语和 Wakeup 是一对作用相反的原语，必须成对使用。

3.4、进程的切换

进程切换：处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中，进程运行环境产生了实质性变化。

调度是指资源分配给哪一进程的行为，是一种决策；切换是指实际分配的行为，是执行行为。一般来说，先有资源的调度，然后才有进程的切换。

进程切换的过程

• 保存 CPU 上下文，包括程序计数器和其他寄存器
• 更新 PCB信息
• 把进程的 PCB 移入相应的队列
• 选择另一个进程执行，更新 PCB
• 更新内存管理的数据结构
• 恢复 CPU 上下文

4、进程间通信

进程间主要通信方式有：管道、共享内存、信号、信号量、消息队列、套接字

参考我的博客：linux 进程间通信

5、进程调度算法

进程调度算法

• 先来先服务：选择最先进入队列的
• 短作业优先：选择完成时间最短的
• 优先级调度：选择优先级别最高的
• 高响应比优先：选择响应比最高的
• 时间片轮转：总是选择就绪队列中第一个进程，但仅能运行一个时间片
• 多级反馈队列：时间片轮转 + 优先级调度

参考

• 进程管理
• 深入理解计算机系统