不管是工作面试还是应试考试，进程都是操作系统中非常重要的一环，因为进程是操作系统进行资源分配的基本单位，同时进程也是相对于操作系统来说可以独立运行的基本单位，本文将向大家详细介绍进程的前世今生以及风流韵事。
本文主要内容如下：
我们首先来分析一下为什么操作系统要引入进程这个概念，即进程从哪来？
一般来说，操作系统按照是否支持并发可分为以下两类：
- 早起的计算机大多数都是单道批处理系统，即每一个时刻最多只能有一道用户程序被装入内存中执行、其他用户程序只能等待，这样的机制使得计算机的资源得不到充分利用、系统吞吐率低下。
- 后来的多道程序系统中正式支持多道用户程序的同时执行，使得系统资源的利用率得到了大幅提高。
这两种不同的程序运行机制有着很大的不同，尤其是资源分配方面，在单道批处理系统中，每一时刻运行的用户程序最多只有一个，这时资源很好分配，只需要把系统所有资源都分配给正在运行的那一个用户程序即可。可是多道程序系统呢？同一时刻可能有多个用户程序都在运行，如何合理地将有限的系统资源分配给这些用户程序？以什么单位进行资源的分配？为了解决这一系列的问题，引入了操作系统中进程的概念，所以，在对进程做深入了解之前，我们先介绍一下程序的顺序执行和并发执行，从这两种不同的程序执行方式中寻找进程的来源。
前趋图实际上是一个有向无环图（DAG,Directed Acyclic Graph），描述的是多个进程的执行顺序，如下图所示：
在前趋图中，每个结点代表一个进程（如上面的4个圆），箭头表示了进程之间的执行顺序，比如上图所示的前趋图表示要求ABCD四个进程需要按照$A \to B \to C \to D$的顺序进行执行。
前趋图可以使用式子进行抽象表示，比如上图表示的进程间关系可以描述为： $$ A \to B,B\to C,C\to D \space 或\ (A,B),(B,C),(C,D) $$ 注意，前趋图中不能有循环，即回路，否则必然会出现冲突，比如像下图：
具有回路，边1要求A在B之前执行，边2要求B在A之前执行，这显然永远不可能实现，即具有冲突。
程序顺序执行很好理解，就是多个程序按照指定顺序串行进行执行，反映到前趋图上就是：
表示ABCD四个程序会串行顺序进行执行。
我们可以发现程序顺序执行具有以下几个特点：
- 顺序性：处理机严格按照指定的顺序执行
- 封闭性：程序会在封闭的环境下运行，运行时独占系统资源，结果不受其他程序干扰
- 可再现性：只要程序执行时的环境与初始条件相同，不管执行多少次程序，最后的结果一定是一样的
程序顺序执行导致计算机资源利用率过低，解决办法就是引入程序并发执行，但是很明显不是所有程序都可以并发执行，如果两个程序具有前趋关系，这两个程序一定不可能并发执行。
我们举个例子，比如有4个应用程序，每一个应用程序所做的工作如下：
S1:
a:=y+2
S2:
b:=y+4
S3:
c:a+b
S4:
d:=c+b
很明显，在执行S3之前必须知道a和b的值即S1和S2必须执行完成，在执行S4的时候必须知道c和``b即S3和S2必须完成，而S1和S2之间没有前趋关系，可以并发执行以提高效率，这样抽象出来前趋图为：
可以看到，S1和S2就可以并发执行，这样可以提高系统的资源利用率。
那么并发执行有什么特点呢？总结一下大概有3条：
-
间断性：比如上面的例子，S1和S2是并发执行的，有可能S1执行了1s就执行完成了，但是S2需要执行3s才能完成，由于S1和S2都完成的前提下S3才能运行，所以会导致S2等待S1执行完成，即S2需要暂停，这就导致了并发程序具有“执行——暂停——执行”这种间断性的活动规律。
-
失去封闭性：当多个程序进行并发执行时，每一个程序都有可能影响系统的资源状态，进而间接影响到其他正在运行的程序的状态，比如S1运行的时候由于运算量太大导致占用系统资源过渡，进而S2没有可用资源，S2就必须暂停等待系统的空闲资源，即S1的运行将S2的状态从运行中影响到等待中。
-
不可再现性：由于并发程序运行时失去了封闭性，所以不能保证程序运行的可再现性，即同一个程序多次执行的结果可能不一致，比如有程序A和程序B并发执行，二者共同操作变量N，A的操作是：
N=N+1；，B的操作是Printf（N）；N=0；，即：由于并发执行时程序的运行速度受系统资源影响（没有封闭性导致的），所以有可能发生的情况有：
如上图所示，可以看到，由于并发，会产生多种可能的代码执行顺序，进而产生多种执行结果，即程序的运行结果不可再现（不要杠精上线说上图2、3两个执行顺序执行结果一样哦）。
看到这里有的读者可能会有疑问，既然都不能保证运行结果的唯一性，程序的并发执行还有意义吗？是的，我们一定是想让我们的程序在执行的时候可以产生唯一结果、不受其他程序影响、而且具有可再现性，所以我们就需要解决这个问题，聪明的读者已经猜出来如何解决了，是的，就是进程。
本节主要介绍进程的定义。
首先再明确一下引入进程的目的：使程序可以并发执行，对并发执行的程序加以描述和控制。
其次我们我们来看一下进程的组成部分：
可以看到，进程实体（进程映像，简称进程）由程序段、相关的数据段、**进程控制块（PCB）**三部分组成，程序段、相关的数据段都很好理解，那什么是进程控制块呢？
为了使参与并发执行的每个程序(含数据)都能独立运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构，称之为进程控制块（Process Control Block，PCB），系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程。
另外提醒一点，一般情况下，所谓的创建进程实际上指的是创建进程实体中的PCB，而撤销进程实际上指的是撤销进程的PCB。
现在我们可以对进程做一个正式的定义了：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独立单位。
要明确，进程和应用程序是两个截然不同的概念，进程有PCB，而应用程序没有，此外，进程还具有以下特征（附有普通应用程序和进程的区别）：
在上一节我们提到进程具有动态性的特点，即进程就有一定的声明周期，那么在进程声明周期的不同阶段进程会处于不同的状态，一般来说，进程的具有两类、五个状态，如下图所示：
进程有三种基本状态：
- 就绪（Ready）状态：进程获取了除CPU资源之外的所有必须资源后的状态（如果系统中有多个进程都处于就绪状态，通常按照一定的优先策略将他们排成一个队列，该队列称为就绪队列）
- 执行（Running）状态：进程已经获取了所有资源（包括CPU资源），当前正在运行。
- 阻塞状态（Block）：正在执行的进程由于某些事件（比如I/O请求、申请缓冲区失败等）暂时无法继续执行的状态，也称进程的执行受到阻塞（阻塞状态、等待状态、封锁状态），当有多个进程处于阻塞状态时，也会将这些阻塞状态的进程排成一个或多个阻塞队列。
那么进程的这三种状态时如何转化的呢？一图胜千言，直接看图：
除了以上的三种基本状态，进程还具有一下两种常见的状态：
- 创建状态
- 终止状态
创建进程是一个很复杂的过程，要经历多个步骤：
- 申请空白PCB
- 向PCB填写用于控制和管理进程的信息
- 为进程分配运行时所必须的资源
- 将进程转为就绪状态
- 将进程插入就绪队列
那么这么多步能保证一次立马顺序执行完吗？答案当然是不能，由于系统资源的动态性，创建进程的过程有可能出现暂停、等待，但是此时进程的创建还没有完成，即进程还不能被调度运行，此时的进程处于的状态就是创建状态。
通过创建状态的引入，操作系统可以根据系统性能或主存容量的限制推迟新进程的提交（创建状态），而当进程获取了所有必须资源后，即可由创建状态转入就绪状态。
进程的终止也是一个较为复杂的过程，要经历两步：
- 等待操作系统进行善后处理
- 将PCB清零、PCB空间返还系统
进程进入终止状态后不能再继续执行，但在操作系统中依然保留一个记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其他进程收集。一旦其他进程完成了对其信息的提取，操作系统即删除该进程，即将PCB清零，将空白PCB返还给操作系统。
下图展示了引入创建状态和终止状态后的进程状态转换图：
在许多操作系统中，还可以对进程执行挂起操作，该操作作用于某个进程时，该进程将被挂起，意味着此时该进程处于静止状态，如果进程正在执行，它将暂停执行，若原本处于就绪状态，则该进程此时暂不接受调度。与挂起操作相对应的是激活操作。
挂起操作主要发生在以下几个场景：
- 终端用户需要
- 父进程的请求
- 负荷调节的需要
- 操作系统的需要
挂起操作一般是通过Suspend原语进行实现的，而激活操作是通过Active原语进行实现的。
引入了挂起和激活操作之后衍生出了以下几种状态：
而这些状态之间的转换关系可用下图表示：
如上图是操作系统控制表的一般结构，此处我们重点介绍一下操作系统所管理的进程表，即进程控制块PCB。
总的来说，进程控制块（Process Control Block）的作用是：使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据）成为一个能独立运行的基本单位、一个能与其他进程并发执行的进程。具体地，可将PCB的作用细分为一下几部分：
从PCB的作用我们可以看出，PCB的的很多功能都是基于PCB中存储的信息才能实现的，那么PCB中都存储有哪些信息呢？
简单来说PCB中主要包括四方面信息：
在一个操作系统中，可能同时存在很多个PCB（成百上千个），操作系统是以何种方式管理、组织这些PCB的？目前常用的组织方式有以下三种：
所谓的进程控制，其实主要指的是以下几部分：
而这些功能一般是借助操作系统内核中的原语来进行实现的，我们先来了解一下操作系统内核。
什么是操作系统内核：现代操作系统一般将OS划分为不同的层次，然后将OS的不同功能别别放置到不同的层次中。通常将一些与硬件紧密相关的模块（如中断处理程序）、各种常用设备的驱动程序、运行频率较高的模块（如时钟管理）都安排在紧靠硬件的软件层中，将他们驻留在内存中，即通常所说的OS内核。
将OS内核部分驻留在内存中主要是出于两个目的：
- 便于对内核进行保护、防止遭受其他软件的破坏
- 提高OS的运行效率
为了防止OS本身及关键数据（如PCB）被其他程序破坏，将处理机的执行状态分为两种：
- 系统态：又称管态，也称内核态，拥有执行一切指令的权限
- 用户态：又称目态，具有较低特权，仅能执行特定的指令
关于操作系统内核的功能我们也需要有一定的了解和认知，这里总结如下图：
在操作系统中，允许一个进程创建另一个进程，被创建的进程是儿子，创建儿子的进程是父亲，而儿子有可创建新进程，这时候就有了孙子，子子孙孙无穷尽也，由此便形成了一个进程的层次结构（类似家族族谱的树形结构）。
进程之间的这种层次结构是十分重要的，比如子进程可以继承父进程的资源，父进程被撤销时一定也会撤销子进程，为了表示这种进程之间的结构关系，在PCB中设置了家族关系表项，以标明自己的父进程和所有的子进程。
注意：windows系统不存在进程之间的父子关系，所有进程都是平等的。
进程图没什么复杂的，就和家谱图一毛一样，主要是为了表示各个进程之间的父子关系，比如：
什么情况下会进行进程的创建呢？大致分为以下四类：
其中黄色的三类是系统内核为用户创建新进程，第四类是用户进程自己创建新进程。
进程创建就四步：
引起进程终止的事件主要有三类，分别如下：
当系统发生了要求终止进程的某事件，OS将调用进程终止原语，按照以下步骤进行进程的终止：
正在执行的进程，如果发生了上述引起进程阻塞的事件，便会通过调用阻塞原语block将自己阻塞（即进程的阻塞是一个主动行为），然后：
- 立即停止执行
- 将进程的现行状态改为阻塞
- 将PCB插入阻塞队列
- 转调度程序，重新进行调度，将处理机分配给另一就绪执行的进程，并进行切换
进程唤醒是通过wakeup原语来进行实现的，过程如下：
- 将待唤醒的进程从阻塞队列中移出
- 将其PCB状态由阻塞改为就绪
- 将其PCB插入就绪队列中
注意：block和wakeup必须成对使用。
当进程中出现了引起进程挂起的事件后，OS将利用挂起原语suspend将指定进程挂起，执行过程如下：
- 检查进程的当前状态，如果处于活动就绪状态，将其置为静止就绪
- 如果处于活动阻塞状态，将其置为静止阻塞
- 为了方便用户或父进程考察该进程的运行情况，将该进程的PCB复制到某指定的内存区域
- 若被挂起的程序正在执行，转向调度程序重新调度
进程的激活是通过激活原语active实现的，过程如下：将进程从外存调入内存，检查该进程的现行状态，若是静止就绪，便将之改为活动就绪；若为静止阻塞，便将之改为活动阻塞。假如采用的是抢占调度策略，则每当有静止就绪进程被激活而插入就绪队列时，便应检查是否要进行重新调度，即由调度程序将被激活的进程与当前进程两者的优先级进行比较，如果被激活进程的优先级低，就不必重新调度，否则，立即剥夺当前进程的运行，把处理机分配给刚刚被激活的进程。