附录B：【原理】进程的属性与特征解析

操作系统负责进程管理，即从程序加载到运行结束的全过程，这个程序运行过程将经历从“出生”到“死亡”的完整“生命”历程。所谓“进程”就是指这个程序运行的整个执行过程。为了记录、描述和管理程序执行的动态变化过程，需要有一个数据结构，这就是进程控制块。进程与进程控制块是一一对应的。为此，ucore需要建立合适的进程控制块数据结构，并基于进程控制块来完成对进程的管理。

为了让多个程序能够使用CPU执行任务，需要设计用于进程管理的内核数据结构“进程控制块”。但到底如何设计进程控制块，如何管理进程？如果对进程的属性和特征了解不够，则无法有效地设计进程控制块和实现进程管理。

再一次回到进程的定义：一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。这里有四个关键词：程序、数据集合、执行和动态执行过程。从CPU的角度来看，所谓程序就是一段特定的指令机器码序列而已。CPU会一条一条地取出在内存中程序的指令并按照指令的含义执行各种功能；所谓数据集合就是使用的内存；所谓执行就是让CPU工作。这个数据集合和执行其实体现了进程对资源的占用。动态执行过程体现了程序执行的不同“生命”阶段：诞生、工作、休息/等待、死亡。如果这一段指令执行完毕，也就意味着进程结束了。从开始执行到执行结束是一个进程的全过程。那么操作系统需要管理进程的什么？如果计算机系统中只有一个进程，那操作系统的工作就简单了。进程管理就是管理进程执行的指令，进程占用的资源，进程执行的状态。这可归结为对一个进程内的管理工作。但实际上在计算机系统的内存中，可以放很多程序，这也就意味着操作系统需要管理多个进程，那么，为了协调各进程对系统资源的使用，进程管理还需要做一些与进程协调有关的其他管理工作，包括进程调度、进程间的数据共享、进程间执行的同步互斥关系（后续相关实验涉及）等。下面逐一进行解析。

1. 资源管理

在计算机系统中，进程会占用内存和CPU，这都是有限的资源，如果不进行合理的管理，资源会耗尽或无法高效公平地使用，从而会导致计算机系统中的多个进程执行效率很低，甚至由于资源不够而无法正常执行。

对于用户进程而言，操作系统是它的“上帝”，操作系统给了用户进程可以运行所需的资源，最基本的资源就是内存和CPU。在实验二/三中涉及的内存管理方法和机制可直接应用到进程的内存资源管理中来。在有多个进程存在的情况下，对于CPU这种资源，则需要通过进程调度来合理选择一个进程，并进一步通过进程分派和进程切换让不同的进程分时复用CPU，执行各自的工作。对于无法剥夺的共享资源，如果资源管理不当，多个进程会出现死锁或饥饿现象。

2. 进程状态管理

用户进程有不同的状态（可理解为“生命”的不同阶段），当操作系统把程序的放到内存中后，这个进程就“诞生”了，不过还没有开始执行，但已经消耗了内存资源，处于“创建”状态；当进程准备好各种资源，就等能够使用CPU时，进程处于“就绪”状态；当进程终于占用CPU，程序的指令被CPU一条一条执行的时候，这个进程就进入了“运行”状态，这时除了继续占用内存资源外，还占用了CPU资源；当进程由于等待某个资源而无法继续执行时，进程可放弃CPU使用，即释放CPU资源，进入“等待”状态；当程序指令执行完毕，由操作系统回收进程所占用的资源时，进程进入了“死亡”状态。

这些进程状态的转换时机需要操作系统管理起来，而且进程的创建和清除等服务必须由操作系统提供，而且在“运行”与“就绪”/“等待”状态之间的转换，涉及到保存和恢复进程的“执行现场”，也就是进程上下文，这是确保进程即使“断断续续”地执行，也能正确完成工作的必要保证。

3. 进程与线程

一个进程拥有一个存放程序和数据的的虚拟地址空间以及其他资源。一个进程基于程序的指令流执行，其执行过程可能与其它进程的执行过程交替进行。因此，一个具有执行状态（运行态、就绪态等）的进程是一个被操作系统分配资源（比如分配内存）并调度（比如分时使用CPU）的单位。在大多数操作系统中，这两个特点是进程的主要本质特征。但这两个特征相对独立，操作系统可以把这两个特征分别进行管理。

这样可以把拥有资源所有权的单位通常仍称作进程，对资源的管理成为进程管理；把指令执行流的单位称为线程，对线程的管理就是线程调度和线程分派。对属于同一进程的所有线程而言，这些线程共享进程的虚拟地址空间和其他资源，但每个线程都有一个独立的栈，还有独立的线程运行上下文，用于包含表示线程执行现场的寄存器值等信息。

在多线程环境中，进程被定义成资源分配与保护的单位，与进程相关联的信息主要有存放进程映像的虚拟地址空间等。在一个进程中，可能有一个或多个线程，每个线程有线程执行状态（运行、就绪、等待等），保存上次运行时的线程上下文、线程的执行栈等。考虑到CPU有不同的特权模式，参照进程的分类，线程又可进一步细化为用户线程和内核线程。

到目前为止，我们就可以明确用户进程、内核进程（可把ucore看成一个内核进程）、用户线程、内核线程的区别了。从本质上看，线程就是一个特殊的不用拥有资源的轻量级进程，在ucore的调度和执行管理中，并没有区分线程和进程。且由于ucore内核中的所有内核线程共享一个内核地址空间和其他资源，所以这些内核线程从属于同一个唯一的内核进程，即ucore内核本身。理解了进程或线程的上述属性和特征，就可以进行进程/线程管理的设计与实现了。但是为了叙述上的简便，以下用户态的进程/线程统称为用户进程。