1 进程的概念
进程是程序的一次执行过程，是一个动态的概念，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。
每个进程都有自己的地址空间，一般包含文本区域、数据区域和堆栈。
2 进程的状态
一个进程有五种基本状态：运行态、就绪态、阻塞态、运行态、退出态。
- 新建态：刚刚创建的进程，操作系统还尚未将它加入到可执行进程组，通常是进程控制块（PCB）已经创建但是尚未加载到内存中的新进程。
- 就绪态：进程已经持有除CPU资源以外的所需资源，正等待被分配CPU资源。进程调度的方法有多种，例如基于时间片的调度算法、响应比优先调度算法、最短作业调度算法、先来先服务调度算法等。
- 运行态：进程已经获取CPU资源，正在被运行
- 阻塞态：进程正在等待某种条件，在条件满足前无法获取到CPU资源。例如等待IO操作完成、一个进程等待另外一个进程的输入。
- 退出态：操作系统从可执行组中释放出的进程，意味着进程已经停止或被取消。
3 进程控制块
操作系统在管理和控制进程时，需要知道进程的位置以及属性。
通常一个进程的属性集称之为进程控制块（PCB），进程的程序、数据、栈和属性集称为进程映像。
进程控制块信息分为三类：进程标识信息、进程状态信息、进程控制信息。
3.1 进程标识信息
一般包含进程ID、父进程ID、用户标识符。
3.2 进程状态信息
又称CPU状态信息，一般包含用户可见寄存器、控制和状态寄存器、栈指针。
- 用户可见寄存器是CPU在用户模式下执行机器代码时可以访问的寄存器。
- 栈指针：每个进程都有一个或多个系统栈，栈用于保存参数和过程调用或系统调用地址，栈指针指向栈顶。
- 控制和状态寄存器用于控制操作系统的各种处理器寄存器，包括：
- 程序计数器：下一条
- 条件码：最近算术或逻辑运算结果
- 状态信息：包括中断允许/禁用标志、执行模式
3.3 进程控制信息
进程控制信息一般包含调度和状态信息，数据结构，进程间通信、进程特权、存储管理、资源所有权和使用情况。
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调度和状态信息
操作系统执行调度时所需的信息。包含：- 进程状态：例如运行态、阻塞态、停止态等
- 优先级：描述进程调度的优先级
- 调度相关信息，具体内容取决于进程调度算法，例如进程上次进入就绪状态的时间。
- 事件：进程在继续执行前等待的事件标识。
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数据结构：进程可以以一种数据结构链接到其他进程。
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进程间通信：各种标记、信号和信息可与两个无关进程间的通信关联。
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进程特权：进程持有的特权信息，例如可访问的内存或者可以执行的指令类型。
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存储管理：包括指向描述分配给该进程的虚存的段表或者页表的指针。
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资源所有权和使用情况，指示进程控制的资源，比如打开一个文件。还可包含处理器或其他资源的使用历史。
4 进程的创建
4.1 进程创建的原因
进程创建的原因有：
- 新的批处理作业
磁盘中的批处理作业控制流会提供给操作系统，当操作系统准备接收新的作业时，就会读取下一个作业控制命令 - 交互登录
终端用户登录到系统 - 为提供服务而由操作系统创建
操作系统可以主动创建一个进程，代表用户程序执行一个功能。 - 通过现有的进程派生
用户程序可以通过系统调用创建出子进程。
4.2 进程创建的步骤
- 为进程分配一个唯一的进程ID
- 为进程分配内存空间
- 初始化进程控制块
- 设置正确的链接
- 创建或扩充其它数据结构
UNIX中的进程创建是基于内核调用fork函数实现的，当一个进程发出fork请求时，该进程会被切换到内核态，并完成以下操作：
- 在进程表中为新的进程分配一个空项
- 为子进程分配一个唯一进程标识符
- 复制父进程的进程映像，共享内存除外
- 增加父进程所拥有文件的计数器
- 将子进程更新为就绪态
- 将子进程的ID号返回给父进程，将0值返回给子进程
5 进程上下文切换
进程切换是指操作系统中断一个正在运行的进程，将另一个进程置于运行模式，并把控制权交给后者。
5.1 进程切换的时机
在发生中断、陷阱或者执行系统调用的时候，就会将进程的控制权转移给操作系统。
对于中断，控制权首先转移给中断处理器，中断处理器完成一些基本的工作后，再将控制权转移给已发生的特定中断相关的操作系统例程，具体案例有：
- 时钟中断：在基于时间片的进程调度算法下，如果进程的运行时间已经超出了最大允许的时间，就将进程切换到就绪状态，保存进程上下文后切换到另外一个进程。
- IO中断
- 内存失效：当进程试图访问一个不在物理内存中的虚拟地址时，操作系统必须从硬盘将这一个内存块调入物理内存，在调入期间，进程会进入阻塞状态直到调入完成。
对于陷阱，操作系统会确定错误或者异常条件是否致命，如果致命（例如尝试访问非法地址）那么会将进程置于退出态，并切换进程，不致命时，操作系统的动作取决于操作系统的设计，可能会尝试恢复程序或者切换进程等。
对于系统调用，当进程执行了IO操作指令（例如打开文件）时，就会切换到内核态，并将用户进程设置为阻塞态，然后切换到其它进程。
5.2 执行切换的步骤
进程切换不同于进程的用户态和内核态切换（简称模式切换），模式切换无需改变运行态进程的状态，开销相对较小。进程的切换开销较大，具体步骤如下：
- 保存处理器的上下文，包括程序计数器和其它寄存器
- 更新当前处于运行态进程的PCB，包括更改进程的状态标志位和其它信息
- 把该进程的PCB转移到相应的队列
- 根据进程调度算法，选择一个就绪的进程
- 更新所选进程的PCB
- 更新内存管理数据结构。
6 用户态和内核态
为了防止进程破坏操作系统，按照进程的特权级别，将其划分为了用户态和内核态。
- 内核态：CPU可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
- 用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用CPU的能力被剥夺，CPU资源可以被其他程序获取。
用户态和内核态的切换称之为模式切换。
6.1 模式切换的场景
在发生以下情况时，进程会从内核态切换到用户态：
- 系统调用：当应用程序需要借助操作系统提供的服务时，就需要切换到内核态。例如调用
fork函数生成子进程，或者调用printf向标准输出写入数据。 - 异常：当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，当前进程就会切换到处理此异常的内核相关程序中。例如尝试访问一个非法的地址。
- 外围设备的中断：当外围设备（例如磁盘）完成用户的请求后，会向CPU发出中断信号，此时CPU会暂时停止执行下一个指令，转而去响应中断信号，并调用中断程序，此时也就自然从用户态切换到了内核态。
6.2 Linux系统中的系统调用
在Linux系统中，系统调用能够切换到内核态是基于中断信号实现的。过程如下：
- 将系统调用编号装入
eax寄存器 - 调用
int $0x80指令，产生一个中断号为0x80的中断。 - 此时CPU切换到内核态处理该中断信号，找到中断描述符表中的第
0x80项，它指向了一个系统调用处理程序system_call() - 内核中保存了一张系统调用表 ，该表中保存了系统调用编号和其对应的服务例程，此时从寄存器
eax取出系统调用号，然后就可以找出相应的服务例程了。
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