考研笔记

进程的概念和特征

这一节要解决的问题只有一个：为什么把程序跑起来这件事，需要发明”进程”这个新概念？

答案不在”进程是程序的一次执行”这句定义里，而在它前面的那段历史——是并发逼出来的。理解了这个因果，后面的四个特征、状态转换、PCB 全都是顺推出来的结论，不需要背。

机制

单道程序时代：程序自己就够了

在单道批处理系统里，内存中始终只有一道程序。它从头跑到尾，独占 CPU、独占内存、独占所有设备，中间没有任何人打扰它。

这种环境有一个非常好的性质：封闭性。程序的执行结果只由它的初始条件决定。今天用这组输入运行，明天用同样的输入再运行，无论中间相隔多久、机器是否繁忙，结果都完全一致。由封闭性又直接得到可再现性。

在这种世界里，“程序”这一个概念就足够描述一切了。想知道机器在干什么，看那段代码跑到第几行就行。

多道程序一引入，程序这个概念就不够用了

为了让 CPU 在某道程序等 I/O 时别闲着，系统开始在内存里同时放多道程序，谁等 I/O 就切到别人。这一步是所有复杂性的源头。

第一个坏消息是**异步性**：每道程序都以不可预知的速度向前推进。它什么时候被切走、切走多久、等的资源什么时候到位，全都不确定。这不是故障，是多道环境下必然且正常的现象。

第二个坏消息是异步性的后果：封闭性没了。当两道程序共享同一个变量时，最终结果取决于它们交替执行的先后次序，而次序是不确定的。于是同样的输入可能得出不同的结果，可再现性跟着一起丢掉。

疑问点：如何准确表述"并发进程失去封闭性"

  1. 并发进程失去封闭性，是指()。 A.多个相对独立的进程以各自的速度向前推进 B.并发进程的执行结果与速度无关 C.并发进程执行时，在不同时刻发生的错误 D 并发进程共享变量，其执行结果与速度有关

这道题的答案是 D，而不是看起来也很像的 A。区分点在于：A 描述的是异步性本身，D 描述的才是”失去封闭性”这个后果。异步性是原因，失去封闭性是结果，题目问的是结果。而且 D 里那个”共享变量”是关键限定——两个进程如果井水不犯河水，各跑各的，速度再不确定也不会互相影响结果。必须有共享，速度的不确定才会传导成结果的不确定。

顺带把 B 也划掉：B 说”结果与速度无关”，那正是保持封闭性的描述，意思刚好反了。

第三个坏消息：程序和”这一次执行”不再一一对应

单道时代，一段代码就对应一次运行，两者可以混为一谈。多道环境下这个对应关系彻底断了：

  • 同一个程序可以被同时运行多次。同时开启两个 bash，二者运行的是磁盘上同一份可执行文件，却是两个独立的执行流，各有各的当前目录、变量取值和执行位置。
  • 反过来，一个执行流也可以在生命周期中途换掉自己的程序。Linux 里 fork 之后调用 exec，代码段被整个替换成新程序，但它仍然是原来那个执行实体（PID 都不变）。

所以”程序”这个静态概念无法回答一个最基本的问题：系统现在到底有几个”正在进行的活动”，各自进行到哪一步了？

于是有了进程

系统需要一个能够描述**“一次具体的、动态的执行过程”**的东西（→ 进程），并且要能把这个过程的全部状态记下来，这样才能在切走之后还原回去。这就是进程：

进程是程序在某个数据集合上的一次运行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位。

定义里有三个词都是有分量的，一个都不能省：

“一次” ——强调这是一个具体的实例，而非代码本身。开启两个 bash 即两次运行、两个进程。

“某个数据集合” ——同一段代码配不同的数据，是不同的进程。这解释了为什么进程必须包含数据段，而不能只有代码。

“资源分配和调度的独立单位” ——这句话点明了进程被发明出来的用途：OS 需要一个记账单位。分内存分给谁？调度调的是谁？回答都是进程。（引入线程之后这句话会被拆成两半，调度单位让给线程，资源分配单位仍留在进程，见 2.1.6。）

进程实体：把这个动态过程”落到实处”

进程是个过程，过程是摸不着的。系统要管理它，必须有一份看得见的东西，这就是**进程实体**（进程映像）：

进程实体 = 程序段 + 相关数据段 + PCB
  • 程序段：要执行的代码。
  • 数据段：这次运行用到的原始数据和中间结果——这是”某个数据集合”的落地。
  • PCB：进程标识、当前状态、调度信息、资源清单、现场信息。

三者当中，PCB 是进程存在的唯一标志。创建进程的实质就是创建 PCB，撤销进程的实质就是回收 PCB。程序段可以和别的进程共享（两个 bash 共用一份代码），数据段可以为空，唯独 PCB 一个进程一份、不可或缺——要判断系统里有没有这个进程，就看有没有它的 PCB。

注意”进程”和”进程实体”是两个层次的词：进程强调动态的过程，进程实体强调按下暂停键之后内存里的那份快照。教材说”进程是进程实体的运行过程”，就是在说这层关系。

边界

并发 ≠ 并行

这是全章最基础的一对，也是最容易在选择题里栽跟头的地方。

  • 并发：多个进程在同一时间段内都在推进。宏观上同时，微观上（单核）交替。
  • 并行：多个进程在同一时刻真正同时执行，必须有多个处理单元。

关键结论：单核 CPU 上可以并发，但不能并行。 并行是并发的一个特例，不是同义词。题目里出现”单处理机""同一时刻”这类字眼时要格外警惕。

特征之间不是并列的，是有依赖的

教材把并发、共享、虚拟、异步四个特征平铺着列出来，容易让人误以为它们地位相同。实际上：

并发和共享是最基本的两个特征，虚拟和异步建立在并发之上。

因果链是这样的：因为要提高资源利用率，所以引入并发；有了并发，多个进程就要共享资源；为了让每个进程感觉自己独占资源，才需要虚拟；而并发带来的推进速度不确定，就是异步。

所以如果一道题问”取消并发之后还剩什么特征”，答案是虚拟和异步都会跟着消失。

相对速度由谁决定

疑问点：并发进程的相对速度由什么决定

  1. 并发进程执行的相对速度是()。 A.由进程的程序结构决定的 B.由进程自己来控制的 C.与进程调度策略有关 D.在进程被创建时确定的

其中”程序结构”一项的确切含义需一并厘清。

答案是 C。

这道题把”异步性由谁造成”问得很直白。逐项分析：

  • A 程序结构指的是代码本身的组织方式——有几个循环、几层分支、调用了哪些函数。它决定了这个进程总共要执行多少条指令，但决定不了这些指令什么时候被 CPU 执行。
  • B 由进程自己控制是错的，而且错得最有教育意义：进程恰恰无法控制自己什么时候被切走。 时间片到了就被抢占，这是 OS 的决定，进程没有发言权。这正是异步性的本质。
  • D 创建时确定也是错的。创建时确定的是优先级等初值，但实际推进速度还要看运行期间就绪队列里有谁、系统忙不忙。
  • C 调度策略才是对的。谁先跑、跑多久、什么时候被换下来，全是调度算法说了算。

一句话记法：进程的相对速度不掌握在进程手里，掌握在调度器手里。

对照速查

程序进程
静/动静态动态
存在位置外存（文件）内存（有 PCB）
生命期长期存在有创建有消亡，暂时的
对应关系一个程序可对应多个进程一个进程可先后执行多个程序
组成代码 + 数据程序段 + 数据段 + PCB
是否拥有资源否是（资源分配的独立单位）
特征含义常考边界
并发同一时间段内多个进程都在推进单核可并发，不可并行
共享资源被多进程共同使用分互斥共享（如打印机）和同时共享（如磁盘）
虚拟一个物理实体变多个逻辑实体虚拟处理机、虚拟内存、虚拟设备
异步推进速度不可预知由调度策略决定，进程自己控制不了

考点

  • 程序与进程的区别（几乎年年以选择题形式出现）
  • 并发 vs 并行的判据是”时间段”还是”时刻”
  • 失去封闭性的准确表述：共享变量 + 结果与速度有关
  • PCB 是进程存在的唯一标志
  • 四个特征的依赖关系：并发和共享最基本

链接

反向链接