进程是什么意思

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导读

进程是什么意思？

搞清楚进程的概念，是理解现代操作系统作为资源管理和多任务处理基础的关键一步。简单来说，当计算机执行一个程序（也就是我们通常写代码、存文件的那个软件或指令集合）时，它会产生一个对应的“进程”。“进程”不仅仅是指软件本身，它代表了程序在特定时间点的一次动态执行活动和相关的系统资源。可以想象，当你双击打开一个应用程序图标，例如微信或者一个文字处理软件，从后台管理系统角度来看，它并没有直接运行那个程序，而是创建了一个“进程”实体，这个进程现在就负责运行你的微信或Word了。

那么，进程和我们平时写的代码程序又有什么区别呢？

• 静态与动态的区别： 程序是静态的，它是放在磁盘上的、一系列有序的指令和数据，就像一本食谱或一份蓝图。它不执行，只是一个待命的“方案”。而进程是动态的，它是程序的一次执行实例，包含了程序本身以及起始时的资源，更重要的是，它处于不断变化的状态中，从创建开始，经历运行、暂停、等待、结束等各个阶段。你可以把程序看作是菜谱，而每次有人要吃饭，厨师（CPU）就会根据这个菜谱制作一份具体的餐点（执行进程），餐点会随着时间变化，比如菜会凉掉，需要重新加热（这类似于进程被阻塞或需要恢复）。你的程序就是那本《怎样做出美味牛排》的食谱，而你点了一份牛排并选择了煎五分熟，厨房开始制作这份牛排，那么这份牛排就是牛排制作的进程。它是动态活动的结果。
• 独立性： 进程是独立的基本单位，拥有自己的地址空间、内存、文件描述符、存储器、独立的执行代码，它们只能与自己的同类对象（资源）进行交互。这就保证了一个程序“坏掉”（比如遇到不可恢复的错误并终止）通常不会直接影响到运行在同一系统上但自己进程的程序。就像在繁忙的大街上，每个行人（进程）都有自己独立的“道路”和“空间”（资源），不会完全阻碍另一行人。一个进程的崩溃不应该直接损害系统或者严重的其他仍在运行的程序。

进程到底有哪些显著的特征，让它能在操作系统中扮演如此重要的角色呢？

• 动态性： 这是进程最基本和最核心的特征。进程是程序的一次执行活动，它有产生、发展和消亡的生命周期。进程一定要在程序运行时才有意义，没有执行就没有进程本身。它不断从等待资源到占用资源，在执行过程中间可能需要进行中断，然后重新开始，整个状态都是变化的。
• 并发性： 现代操作系统最显著的能力之一就是能在宏观上同时运行多个程序（也就是多个进程），从而给出了“多任务处理”的感觉。实际上，现代 CPU 是单核的（虽然发展所向是多核），它通过快速地切换不同程序的指令执行，或者说执行不同进程（也就是一系列相关的动态活动），让用户感觉许多程序是“同时”在运行的（比如一边看视频一边听音乐，甚至同时插入第三步聊天）。每个正在运行的程序，背后都有一个不断“索取”CPU 时间的进程实例。很明显，CPU 时间是有限的资源，操作系统必须决定何时分配给哪个进程。
• 异步性： 在没有明确同步关系的多个进程的执行过程中，一个进程的执行行为（比如执行步骤、占据CPU时间片）之间没有固定的时序关系，程序的执行顺序是不确定的。这就好比你同时炒菜和去扫荡菜市场，但每次执行的顺序（决定先去买什么菜还是先炒哪道菜）都是不确定的，需要根据当时的实际情况来定。
• 结构性： 一个进程和其他进程共享应用层的很多代码，但系统视图下，它拥有自己独立的资源和执行现场。这个执行现场包括：代码段（程序的机器指令）、寄存器（CPU缓存命令的区域）、CPU状态、堆栈（存储过程调用历史、局部变量等地）等等。这部分是指进程运行的上下文环境。
• 独立性： 每个进程都独占一套系统资源，与其他进程没有直接的共享关系，彼此不驱干扰，这样才能更好地保证程序运行的流畅性和安全性。它可以被操作系统调度独立执行，一个进程不能直接访问另一个进程的代码段或堆栈。
• 生命周期： 进程从创建开始，经历运行、等待、阻塞等状态，最终由操作系统回收其资源后终止。

正因为这些特征，尤其是在操控资源分配和多任务执行方面的能力，进程的存在使得操作系统的功能得以实现和发挥。那么进程知道操作系统中的作用是什么呢？

• 资源共享的基础： 操作系统通过创建和管理不同进程，可以将系统有限的资源（如 CPU 时间、内存占用、磁盘空间、网络带宽、打印机设备等）分配给需要的程序。多个程序或进程可以共享这些资源，例如多个用户可以同时使用系统，或者一个程序的不同模块可以在不同进程间进行。通过让不同的程序并发运行，一个计算机系统就能同时执行多项任务，大大提高效率和用户体验，操作系统是这个多任务并发基础。
• 独立调度和运行： CPU 资源是最核心、最紧缺的资源之一（即使是多核处理器，总数也是有限的），操作系统正是通过进程的概念来组织 CPU 时间分配给各个正在运行的程序。系统根据各自的优先级和需求来决定哪个进程先执行，以及需要分配多少 CPU 时间到哪个进程，从而实现程的高效管理和控制。
• 实现并行处理： 在多核处理器上，多个进程确实可以同时被多个 CPU 核心执行，实现了严格的并行计算。在单核处理器上，现代操作系统通过时间片轮转等方式，也让多个进程看起来像是在同时运行，即所谓的宏观上并行。
• 封装应用实例： 每个用户执行的应用程序实例都由一个或多个进程组成，操作系统用进程来封装每个程序的运行状态和资源需求，为用户提供了一个清晰的操作和管理接口。

进程的运行状态并不是一成不变的，它们会随着时间、CPU调度以及是否遇到需要等待事件而不断变化，这也就是进程的状态及其转换了。

进程，根据其自身情况和系统调度，会表现出不同的状态，主要的有：

1. 运行状态： 这是进程正在被CPU执行，或者说在这个特定时间段内被分配了CPU资源并且指令正在被执行的状态。但仔细想想，一个CPU核在同一时刻只能执行一个进程的指令，所以如果有多个进程正在争取CPU，它们可能只是在极短时间的切换中，成为那个运行者，或者说，“运行”是一个瞬间的、轮流的状态。
2. 就绪状态： 当一个进程已经准备好了并且在等待CPU资源，但它被“暂时停止”，因为其优先级更低，没有被CPU所选择执行的状态。这些进程随时可以被分配处理器资源，等待被系统调度。
3. 阻塞状态： 就像在排队一样，进程因为某个特定的、必须等待的系统事件（例如，等待输入/输出操作完成，等待某个子进程结束，或者其他资源未到位，或者程序中调用了等待某个条件的sleep函数）而暂停执行，此时它不占用CPU，正在“挂起”的状态。
4. 新建状态（可选）： 在进程被完全创建、接收了处理器时间之前，它可能有一个新建状态，但现在最常见的模型分新进程和就绪进程。
5. 终止状态（结束状态）： 当进程完成了自己的任务，或者由于某种原因（例如，通过一个exit函数、系统强制杀死该过程）而退出运行，随后操作系统会回收其占用的资源，则称其为终止状态。

这些状态之间的转换非常实时和频繁，操作系统正是通过监控这些状态的变化，来进行CPU分配、资源管理和进程优先级调整（何时运行、何时等待），从而保证整个系统的流畅运行和资源的有效利用。

• 就绪 -> 运行： 当进程已经具备运行条件，且被操作系统调度器选中，分配了CPU，则就绪转运行。
• 运行 -> 就绪： 当进程的优先级较低，或者时间片用完了，或者其他优先级更高的进程需要运行，当前运行的进程会变成就绪状态，等待被重新调度。
• 运行 -> 阻塞： 当进程因为发生I/O操作（如读写文件）或者等待某个事件（比如等待用户输入）而无法继续执行时，它会从运行状态转换到阻塞状态，尝试再次获得CPU。
• 阻塞 -> 就绪： 当进程等待的事件（如I/O操作完成、用户输入收到）终于发生，阻塞解除后，该进程就会进入就绪状态，等待CPU的再次调度。
• 运行/就绪/阻塞 -> 终止： 当进程完成任务，或者被操作中断（如程序崩溃），或者被管理员强制结束，进程就会退出运行（或就绪、阻塞）状态，并进入终止状态，随后操作系统发起清理和回收资源的工作。

总而言之，进程是操作系统进行资源分配、调度和管理的核心概念，它代表了程序的一次动态执行实例，具有生命周期、并发性、异步性等特点。理解进程，对于我们理解操作系统的工作原理、调试程序、以及让计算机更高效地运行多任务至关重要。