一、進程概念
引子 程序運行在並發環境中的問題
（1）運行過程不確定
（2）結果不可再現
1.進程定義
進程是程序在某個數據集合上的一次運行活動。數據集合是指軟硬件環境，多個進程共存或共享的環境。
2.進程的特征
（1）動態性
進程是程序的一次執行過程，動態產生且動態消亡；
（2）並發性
進程同其他進程一起向前推進；
（3）異步性
進程按照各自的速度向前推進（每一個進程按照自定邏輯，不考慮其他進程的運行，各自占用CPU）；
（4）獨立性
進程是系統分配資源和調度CPU的單位（但是有了線程后，操作系統調度CPU的單位就變成了線程）。
3.進程與程序的區別
（1）進程是動態的：程序的一次執行過程；
（2）程序是靜態的：一組指令的有序集合；
（3）進程是暫存的：在內存中短期駐留；
（4）程序是長存的：可以在存儲介質上長期保存；
（5）一個程序可能有多個進程。
4.進程的分類
（1）按照使用資源的權限進行分類
①系統進程：系統內核相關的進程；
②用戶進程：運行於用戶態的進程。
（2）按照對CPU的依賴性進行分類
①CPU型進程：主要用於計算；
②I/O型進程：主要用於I/O操作。
二、進程狀態
1.進程的狀態
（1）運行狀態（Running）
進程已經占用CPU，在CPU上運行。
（2）就緒狀態（Ready）
具備運行條件但是由於沒有CPU可用，所以暫時不能運行。
（3）阻塞狀態（Block）也叫等待狀態（Wait）
由於等待某項服務完成或者等待某個信號而不能運行的狀態，比如等待系統調用，I/O操作等等。
2.進程的三態模型
（1）就緒->運行：進程調度；
（2）運行->就緒：時間片到或者被強占；
（3）運行->阻塞：請求服務后等待響應，或者等待某個信號的到來；
（4）阻塞->就緒：請求的服務已經完成，或者等待的信號已經到來。
3.進程的五態模型
（1）新建狀態
用戶向系統提交程序后，在進程建立之前的過程。
（2）終止狀態
進程撤出系統的過程。
4.Linux中的狀態定義
（1）可運行態
①就緒：在就緒隊列中等待調度；
②運行：正在運行。
（2）阻塞（等待）態
①淺度（可中斷）阻塞：能被其他進程的信號或者時鍾喚醒；
②深度（不可中斷）阻塞：不能被其他進程通過信號和時鍾喚醒，一般是用來請求文件服務，I/O服務，系統服務。
（3）僵死態
進程終止運行，釋放大部分資源。
（4）掛起態
進程被掛起，暫停。可用於調試進程。
三、進程控制塊（Process Control Block，PCB）
1.進程控制塊的定義
（1）描述進程狀態、資源、與相關進程關系的數據結構；
（2）PCB是進程的標志。對於操作系統來說，它通過PCB來感知和管理進程；
（3）進程創建時會建立PCB，進程撤出時會銷毀PCB。
2.PCB中的基本成員
（1）name（ID）：進程名稱（標識符，0~32768的正整數）；
（2）status：狀態；
（3）next_pcb：指向下一個PCB的指針；
（4）start_addr：程序地址；
（5）p_priority：優先級；
（6）cpu status：現場保留區（堆棧）；
（7）comminfo：進程通信；
（8）processfamily：家族；
（9）own resource：資源。
不同的操作系統PCB成員會有所區別，但是一些基本成員都是相同的，可能只是命名上的區別而已。進程控制塊應包含以下三類信息：標識信息、現場信息、控制信息。
3.Linux中的進程控制塊
Linux的進程控制塊一般包含如下信息：
（1）進程狀態；
（2）調度信息；
（3）標識符；
（4）內部進程通信信息；
（5）鏈接信息；
（6）時間和計時器；
（7）文件系統；
（8）虛擬內存信息；
（9）處理器信息。
4.進程的切換
（1）進程的上下文
Context，指進程運行環境，CPU環境（比如各個寄存器的取值）等等。進程的上下文由三部分組成：用戶級上下文（程序、數據、共享存儲區、用戶棧，它們占用進程的虛擬地址空間）、寄存器上下文（由各個寄存器組成）、系統級上下文（PCB、核心棧等）。
（2）進程切換過程
①進程被從堆棧調度到CPU運行；
②進程被從CPU調度到堆棧暫停運行。
四、進程控制的概念
1.進程控制的概念
在進程生存期間，對其全部行為的控制。典型的控制行為有創建進程、阻塞進程、喚醒進程、撤銷進程。
2.進程控制行為之一——進程創建
（1）功能
創建一個具有指定標識的進程。
（2）參數
進程標識、優先級、進程起始地址、CPU初始狀態、資源需求等等。
（3）創建進程的過程
①創建一個空白PCB；
②獲得並賦予進程標識符ID；
③為進程分配空間；
④初始化PCB；
⑤把進程插入到相應的進程隊列，一般放到就緒隊列中。
3.進程控制行為之二——進程撤銷
（1）功能
撤銷一個指定的進程，收回進程所占用的資源，撤銷該進程的PCB。
（2）進程撤銷的時機/時間
①正常結束；
②異常結束；
③外界因素。
（3）參數
被撤銷的進程名（ID）。
（4）進程撤銷的過程
①在PCB隊列中找到要撤銷進程的PCB；
②獲取該進程的狀態；
③若該進程處於運行態，則立即終止該進程（先檢查該進程是否有子進程，若有子進程，則先撤銷子進程，遞歸執行此操作）；
④釋放進程占有的資源；
⑤將進程的PCB從PCB隊列中移除。
4.進程控制行為之三——進程阻塞
（1）功能
阻塞進程的執行。
（2）阻塞的時機/事件
①請求系統服務：操作系統不能立即滿足進程的請求，導致進程不能滿足運行條件；
②啟動某種操作：進程啟動某操作，阻塞等待該操作完成（比如進行I/O操作）；
③新數據尚未到達：該進程要獲得另外一個進程的中間結果，該進程需要等待另一個進程運算結束；
④進程正常結束：進程完成任務后，自我阻塞，等待新任務到達。
（3）參數
阻塞原因。
（4）進程阻塞的實現
①停止運行；
②將PCB“運行態”改為“阻塞態”；
③出入相應原因的阻塞隊列；
④轉到調度程序（把系統控制權交給調度模塊）。
5.進程控制行為之四——進程喚醒
（1）功能
喚醒處於阻塞隊列中的某個進程。
（2）引起喚醒的時機/事件
①系統服務滿足進程要求；
②I/O事件完成；
③新數據到達；
④進程向系統或I/O提出新請求（服務）。
（3）參數
進程ID。
6.進程控制原語
由若干指令構成的具有特定功能的函數，具有原子性，其操作不可分割。以上四種進程控制行為（創建、撤銷、阻塞、喚醒）都被封裝為原語，以保證其運行的完整性。
五、Linux下的進程控制
1.創建進程
創建進程的函數原型是pid_t fork(void);
pid_t是一個整數類型，即fork()函數會返回新進程的ID號（0~32768的整數）。
例如：pid_t pid = fork();
注意：
（1）新進程是當前進程的子進程。
（2）父進程和子進程
①父進程：fork()的調用者；
②子進程：新建的進程。
（3）子進程是父進程的復制（相同的代碼，相同的數據，相同的堆棧），除了ID號和時間信息外，兩者完全相同。
（4）子進程和父進程可以並發運行。
請問下面的程序會輸出什么結果？
//文件名為test.c int main(void) { fork(); printf("Hello World!\n"); return 0; }
答案：
一個是子進程輸出的，一個是父進程輸出的。
請問下面的程序會輸出什么結果？
//文件名為fork_2.c int main(void) { pid_t pid; pid = fork(); if(pid == 0) { printf("pid == 0\n"); } else { printf("pid != 0\n"); } return 0; }
答案：
為什么if和else兩個分支都被執行了呢？
因為fork()函數執行后，創建了一個新的進程，子進程是父進程的復制，所以相同的代碼會執行兩次。在子進程中fork()函數會返回0，在父進程中，fork()函數會返回子進程的id號。所以在子進程中，會執行if分支，在父進程中，會執行else分支。但誰先誰后不確定。
2.fork()函數的執行步驟
由於子進程是父進程的復制，所以子進程中也會有創建子進程的語句，如果不加以限制，就會形成遞歸創建，但實際上並不是這樣的。
實際流程是：父進程創建了子進程后，子進程中“創建進程”語句及其前面的語句都不再執行。並發運行的是fork（）語句后的語句。
在linux的源碼中我們可以找到fork函數：
//linux內核中的fork函數 ... copy_files(clone_flags,p); //克隆文件 copy_fs(clone_flags,p); //克隆文件系統 copy_mm(clone_flags,p); //克隆內存信息 ...
我們可以看到有三條語句，用於拷貝進程的所有信息，這也解釋了為什么說子進程是父進程的復制。
3.子進程如何執行與父進程不同的功能。
Linux中 ，init進程（初始化進程）是所有其他進程的父進程，那么是不是就說所有的進程都執行與init進程相同的功能呢？並不是。Linux中某些子進程和父進程的執行並不是完全相同的。它是如何做到的呢？這是因為exec函數簇的存在，它是若干函數的集合。其功能是讓子進程具有和父進程完全不同的新功能。
4.一個進程控制的實例
編寫一個代碼，創建兩個子進程，第一個子進程打印“I am the 1st subprocess!”，第二個子進程打印“I am the 2rd subprocess”，父進程打印“I am the parent process”。要求實現先打印第一個子進程的內容，再打印第二個子進程的內容，最后打印父進程的內容。
1 int main() 2 { 3 int p1, p2; //進程ID 4 5 p1 = fork(); 6 switch(p1) 7 { 8 case -1: //進程創建失敗時執行下列語句，因為進程創建失敗fork函數會返回-1 9 printf("Error\n"); 10 exit(1); 11 case 0: //子進程中執行下列語句，因為在子進程中fork函數會返回0 12 execl("/bin/echo","echo", "I am the 1st subprocess!", NULL); //使用exec函數簇中的execl函數將子進程一的功能進行改造 13 exit(1); 14 default: //父進程中執行下列語句，因為在父進程中fork函數會返回子進程的ID號（大於0，小於32768） 15 wait(NULL); //用於進程同步，wait函數的作用是：父進程在此處暫停運行，等待一個子進程結束后，再從此處繼續向下運行 16 break; 17 } 18 19 p2 = fork(); 20 switch(p2) 21 { 22 case -1: //進程創建失敗時執行下列語句，因為進程創建失敗fork函數會返回-1 23 printf("Error\n"); 24 exit(1); 25 case 0: //子進程中執行下列語句，因為在子進程中fork函數會返回0 26 execl("/bin/echo", "echo", "I am the 2rd subprocess", NULL); //使用exec函數簇中的execl函數將子進程二的功能進行改造 27 exit(1); 28 default: //父進程中執行下列語句，因為在父進程中fork函數會返回子進程的ID號（大於0，小於32768） 29 wait(NULL); //用於進程同步，wait函數的作用是：父進程在此處暫停運行，等待一個子進程結束后，再從此處繼續向下運行 30 break; 31 } 32 33 printf("I am the parent process\n"); 34 35 return 0; 36 }
運行結果：
