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第二章 进程的描述与控制
从第二章开始要深入地考察操作系统是如何设计和构造的。操作系统中最核心的概念是进程。操作系统的其他所有内容都是围绕进程展开的，所以我们在学习操作系统原理时，首先理解进程是必要的。
本章要讲授的主要内容：
1、 为什么要引入“进程”的概念。 2、 进程是什么？
3、 如何创建、撤消进程，如何改变进程的状态－即进程控制的有关问题。
2.1 前趋图和程序执行 2.1.1 前趋图的定义
前趋图是有向无循环图，图中结点表示程序、程序段、语句、进程。有向边表示结点之间的偏序关系。一个前趋图表示了这样一种偏序关系：用“→”表示这种偏序关系，若Pi,Pj是图中结点，→＝
，前趋图中任意两个结点Pi，Pj。
若满足“→”表示的偏序关系，可表示为Pi→Pj，读作：Pi是Pj的前趋，Pj是Pi的后继。在一个前趋图中没有前趋的结点称为起点，没有后继的结点称为终点。
2.1.2 程序顺序执行
1、 程序顺序执行的含义：程序在执行时，必须按照某种先后次序逐个执行，仅当前一
操作执行完后，才能执行后继操作。 (1) 多个程序段一个一个顺序执行， (2) 一个程序段的语句依顺序执行。 2、 程序顺序执行时的特征。
(1) 顺序性：外理机的操作，严格按照程序所规定的顺序执行。
(2) 封闭性：程序运行时，独占全机资源，因而机内各资源的状态，只有本程序才能改
变。
(3) 可再现性：在初始条件相同的情况下，同一程序对在同一数据集上的不同次的运行
产生的结果是相同的。
2.1.3 程序并发执行
1、 程序并发执行。
是指在同一时间间隔内，运行多个程序，一个程序还没有执行完，可以运行其它的程序。对用户而言，看到的是计算机同时运行多个程序。
程序并发执行的方式，可以是多CPU，也可以是多个程序分片使用一个CPU，（从系统来看），为了说明进程概念的引入，我们先来了解一下程序并发执行的特征。
2、 程序并发执行时的特征。 (1) 间断性
(2) 失去封闭性：（对一个程序而言），一个正在运行的程序，所“见”到的运行环境的
状况由于其它程序的运行而改变。 如：一个程序往打印机缓冲区中送了一个文件，但由于另一个程序随后也往同一缓冲区中送了一个文件，使前一个程序获得打印机使用权时，打印出来的结果不是自己所需要的（这种状况是我们在设计OS时必须考虑并且去解决的）。
(3) 不可再现性：同一程序处理同一种输入时，可能得到不同的结果。程序执行的结果
不可再现。
例：A程序循环执行N：＝N+1；B程序循环执行Print(N); N:=0；若A、B并发执行，而且OS不加干涉，假设N初值为n，
(1) 当执行顺序为：①N:=N+1;②Print(N);③N:=0时：N的结果为：n+1，n+1，0 (2) 当执行顺序为：①Print(N);②N:=0;③N:=N+1时：N的结果为：n，0，1 (3) 当执行顺序为：①Print(N);②N:=N+1;③N:=0时：N的结果为：n，n+1，0
对程序②来讲，肯定去执行Print(N)，现执行N:=0，顺序不会变，但是，两语句的执行不一定是连续的。
2.1.4 程序并发执行的条件
在允许程序并发执行的系统中，必须采取措施，保证程序执行的再现性，从而保证程序执行能得到唯一正确的结果。
Bernstein条件是保证并发执行的程序具有可再现性的必要条件：若R(pi)= {a1,a2,a3,…an}表示程序Pi在执行期间所要读的变量集合，W(pi)={b1,b2,b3,…bn}表示程序Pi在执行期间所要写的变量集合，若程序Pi和Pi能满足条件： R(p1)∩W(p2)∪R(p2) ∩W(p1) ∪W(p1) ∩W(p2)={ }，则P1和P2可以并发执行。（P1，P2并发执行具有可再现性）。我们可以这样现解Bernstein条件：
1、 P1读变量与P2的写变量不能是公共的， 2、 P1的写变量与P2的读变量不能是公共的， 3、 P1，P2不能往同一个变量中写。 举例说明： 设：
程序1 程序2 程序3
这三个程序若并发执行，可能出现十分荒谬的结果，当程序2还没有将读出的1赋给变量b时，程序2时间片用完，OS调度程序3执行C＝a+b，结果为1+0＝1，对用户而言，不知自己的程序为什么会得出1+1＝1而不是2的错误结果。
这时程序并发执行的执行顺序可能是：
并发程序执行的语句顺序发生变化时，引起了执行结果的错误。
这个例子说明，若在Bernstein条件中，若P1的读变量与P2的写变量是公共的，在P1
的输入不变时，可能不同一次执行由于读之前P2正好写或没有写公用变量，造成了P1最终执行结果的不同，使P1的执行不可再现。可再现的前提是（或者说可再现的条件相同）指的是P1本身的输入条件不变，P1在同一个数据集上执行，象上例中的程序3，C：＝a+b，读入的是f1和f2两个文件的内容，f1，f2不变而不同次的执行，由于执行顺序的变化，导致程序3的不同结果）。 例2： 程序1：程序2：
2.2 进程的描述
上一节说明了程序并发执行的特点，这一节首先我们说明为什么引入进程的概念，然后对进程的定义、特征进行说明。
进程概念的引入是为了跟踪描述程序的并发执行，当允许程序并发执行时，并发执行的程序可能是同一个程序在不同数据集合上的执行，也可能是不同的程序在不同数据集合上的执行，它们共享系统资源，用程序已不能方便地描述程序的并发执行，所以引入了进程的概念。
2.2.1 进程的定义与特征
一、进程的定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。
程序装入内存后就可以运行了：在指令指针寄存器（IP）的控制下，不断将指令取到CPU运行，这些指令控制的对象不外乎各种存储器（内存、外存、和各种CPU寄存器），这些存储器中保存着待运行的指令和待处理的数据，指令只有得到CPU才能发挥其作用，可见，在计算机内部，程序的执行过程实际上就是一个执行环境的总和，这个执行环境包括程序中各种指令和数据，还有一些额外数据，比如说寄存器的值、用来保存临时数据（如：传递给某个函数的参数、函数的返回地址、保存变量）的堆栈、被打开文件的数量及输入输出设备的状态等等。这个执行环境的动态变化表征程序的运行。一个进程对应了一个这样的环境。进程代表了程序的执行过程，是一个动态的实体，它随着程序中指令的执行而不断地变化、在某个特定时刻的进程的内容被称为进程映像。 二、进程的特征
1、 并发性：多个进程实体，同存于内存中，能在一段时间内同时运行。
2、 动态性：进程既然是进程实体的执行过程，因此，动态性是进程最基本的特征。动
态性还表现为“它由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，以及由撤消而消亡”。
3、 独立性：独立运行和资源调度的基本单位。 4、 异步性：以不同的、不可预知的速度向前推进。
5、 结构特征：数据、程序、PCB用户级上下文，系统级上下文，寄存器上下文。 三、进程与程序的比较
1、 区别
(1) 程序是静态的概念，进程是动态的概念。程序是一组指令的有序集合，而进程是程
序的一次运行活动，或者说它是程序的执行过程，它的着眼点是活动、运行、过程。它的活动性还表现在：它可以由系统“创建”而产生，由“撤消”而消亡，由“调度”而执行。
(2) 程序是永久的，进程是暂时存在的。程序是指令的集合，以0，1代码的形式存在
于某种存储介质上，无论执行与否，它都存在着；而进程只有在执行程序时被创建之后才存在，程序执行完毕，进程就被撤消，不存在了。
(3) 程序与进程的存在实体不同。程序就是代码构成的，进程是由程序代码，数据结构
两部分构成。 2、 联系
(1) 进程是程序的一次执行，进程总是对应一个特定的程序，执行程序的代码，一个进
程至少要对应一个程序。
(2) 一个程序可以对应多个进程。同一个程序段可以在不同的数据集合上运行，因而构
成若干个不同的进程。
例1：一个打印输出程序段，当它用来打印不同作业计算结果时，就构成者干个不同的进程。
例2：IE每次启动一个IE访问不同的网络构成同时访问多个网络的几个不同的IE进程。 进程与程序好比做菜的过程与菜谱。 四、进程的存在
当一个程序要执行时，OS为其创建一个PCB块，填上初始信息，将程序及数据装入内存，这时进程就创建而存在？PCB是进程存在的唯一标志，（后面要专门讲述）。
程序和进程的组成图
正文段（存放被执行的机器指令） 用户数据段 系统数据段 进程
在某个特定时刻的进程的内容被称为进程映像。
2.2.2 进程的基本状态
一、进程的三种基本状态（强调：不同的OS，为进程定义的状态不同）
1、 就绪状态：进程一旦获得CPU就可以投入运行的状态。 2、 执行状态：进程获得CPU正在运行的状态。
3、 阻塞状态：进程由于等待资源或某个事件的发生而暂停执行的状态。 二、新状态和终止状态――由于“两步走”而引入：