你的進(jìn)程，為啥掛了？
前言
你的進(jìn)程，為啥掛了？進(jìn)程掛了，這個問題大家并不陌生。學(xué)完這篇，你會對進(jìn)程有一定了解。后面碰到進(jìn)程掛的情況，你很快能找到對應(yīng)解決思路。
進(jìn)程在操作系統(tǒng)中，是一個很重要的概念。你熟悉操作系統(tǒng)，能避免一些坑，寫出高質(zhì)量的代碼。
windows界面設(shè)置真炫酷，不多說。下面用動畫加文字的方式，給大家講述。
為什么需要進(jìn)程
通常程序不能并發(fā)執(zhí)行，因?yàn)槌绦虿l(fā)執(zhí)行的結(jié)果，是不可再現(xiàn)的。為了使程序，可以并發(fā)執(zhí)行，且能對其加以描述和控制，引入了進(jìn)程的概念。
上面把小人比作程序，操作系統(tǒng)中一次只能跑一個程序，除非引入進(jìn)程。
進(jìn)程的特征和定義
進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配調(diào)度的獨(dú)立單位。
結(jié)構(gòu)特征：為了使程序能夠獨(dú)立運(yùn)行，應(yīng)配置一個進(jìn)程控制塊PCB。進(jìn)程是由程序段，相關(guān)的數(shù)據(jù)段和PCB（進(jìn)程控制塊）三部分構(gòu)成的。
動態(tài)性：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，由撤銷而消亡，進(jìn)程存在一定的生命周期。
并發(fā)性：多個進(jìn)程實(shí)體，同存在于內(nèi)存中，且能在一段時間內(nèi)同時運(yùn)行。
獨(dú)立性：進(jìn)程實(shí)體，是一個能獨(dú)立運(yùn)行，獨(dú)立分配資源，獨(dú)立接收調(diào)度的基本單位。
異步性：進(jìn)程按自己獨(dú)立的不可預(yù)知的速度推進(jìn)。
下面動畫，把小人比作進(jìn)程，展示的進(jìn)程的創(chuàng)建，銷毀，動態(tài)性，并發(fā)性，獨(dú)立性，異步性。
進(jìn)程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換
創(chuàng)建：保證進(jìn)程的調(diào)度，必須在創(chuàng)建工作完成以后，再進(jìn)行。確保，對進(jìn)程控制塊PCB操作的完整性。
就緒：進(jìn)程已分配到除CPU外的所有必要資源。
執(zhí)行：進(jìn)程已獲得CPU，其指令集正在執(zhí)行。
阻塞/掛起
正在執(zhí)行的進(jìn)程由于發(fā)生某事件導(dǎo)致暫時無法繼續(xù)執(zhí)行。
終止：等待其他進(jìn)程收集完信息后，將刪除該進(jìn)程，清空PCB并返還給系統(tǒng)。
下面是進(jìn)程狀態(tài)圖：
PCB進(jìn)程控制塊
獨(dú)立運(yùn)行基本單位的標(biāo)志：創(chuàng)建進(jìn)程時創(chuàng)建PCB，進(jìn)程結(jié)束時回PCB，進(jìn)程隨之消亡。系統(tǒng)是通過PCB，感知進(jìn)程的存在。PCB已成為，進(jìn)程存在于系統(tǒng)中的唯一標(biāo)志。
實(shí)現(xiàn)間斷性運(yùn)行方式：進(jìn)程暫停運(yùn)行時，必須保留，運(yùn)行時的CPU等相關(guān)信息。進(jìn)程被再次運(yùn)行時，需恢復(fù)CPU等相關(guān)信息。
提供進(jìn)程管理需要的信息：當(dāng)進(jìn)程開始運(yùn)行時，根據(jù)該進(jìn)程PCB中，記錄的程序和數(shù)據(jù)，在內(nèi)存或外存中起始地址指針，找到相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)。
提供進(jìn)程調(diào)度需要的信息：只有處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程，才能被調(diào)度。而進(jìn)程的狀態(tài)就記錄在PCB中、以及優(yōu)先級、等待時間、已執(zhí)行時間等其他信息。
實(shí)現(xiàn)與其他進(jìn)程的同步與通信：進(jìn)程同步機(jī)制，用于實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程協(xié)調(diào)運(yùn)行。在PCB中，具有實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信的區(qū)域或通信隊列指針等。
PCB進(jìn)程控制塊中的信息：PCB中的信息大致上可分為4類，分別是：進(jìn)程標(biāo)識符、CPU狀態(tài)、調(diào)度信息、控制信息。
進(jìn)程標(biāo)識符：分外部標(biāo)識符和內(nèi)部標(biāo)識符，外部標(biāo)識符即進(jìn)程名稱，可由父進(jìn)程指定，通常包括字符和數(shù)字的組成。內(nèi)部標(biāo)識符，由操作系統(tǒng)提供的，具有唯一性的進(jìn)程ID。
CPU狀態(tài)：主要由各種寄存器中內(nèi)容組成，如通用寄存器、指令計數(shù)器（下一條指令的地址）、程序狀態(tài)（狀態(tài)信息、條件碼、執(zhí)行方式、屏蔽中斷等標(biāo)志）和棧指針（指向用于存放過程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址的系統(tǒng)棧的棧頂）構(gòu)成。
調(diào)度信息：包含進(jìn)程狀態(tài)、進(jìn)程優(yōu)先級、其他信息、事件（阻塞原因）。
進(jìn)程狀態(tài)，是進(jìn)程調(diào)度和對換時的依據(jù)，優(yōu)先級高的進(jìn)程，應(yīng)優(yōu)先獲得CPU執(zhí)行。
控制進(jìn)程所必須的信息，包括程序和數(shù)據(jù)的存儲地址，以便調(diào)度該進(jìn)程執(zhí)行時，能從PCB中找到其程序和數(shù)據(jù)，進(jìn)程同步和通信機(jī)制，如消息隊列、信號量等。
進(jìn)程的創(chuàng)建和終止過程
創(chuàng)建進(jìn)程過程：向操作系統(tǒng)申請空白PCB及進(jìn)程ID、分配運(yùn)行所需的資源、初始化PCB、等待插入進(jìn)程調(diào)度就緒隊列。
相關(guān)資源或從操作系統(tǒng)或從父進(jìn)程獲得，資源需求需提前告知，操作系統(tǒng)或父進(jìn)程好為其分配資源。
PCB至少有2種信息需要初始化
1.標(biāo)識信息，即將本進(jìn)程ID和父進(jìn)程ID填入PCB控制塊中
2.狀態(tài)信息，指令計數(shù)器指向程序的入口地址、棧指針指向棧頂控制信息。
進(jìn)程的終止分為：讀取進(jìn)程狀態(tài)、終止進(jìn)程、終止子孫進(jìn)程、釋放資源、移出PCB隊列。
操作系統(tǒng)通過進(jìn)程ID從PCB集合中檢索出該進(jìn)程的PCB，從中讀出該進(jìn)程的狀態(tài)。
如果該進(jìn)程狀態(tài)為執(zhí)行態(tài)，則終止進(jìn)程的執(zhí)行，并重置調(diào)度標(biāo)志位真。
如果該進(jìn)程擁有子孫進(jìn)程，則一并將所有子孫進(jìn)程終止，防止子孫進(jìn)程成為僵尸進(jìn)程等不可控的進(jìn)程。
接著釋放資源，將資源歸還給操作系統(tǒng)或父進(jìn)程。最后就是移出PCB隊列了，等待其他進(jìn)程搜集信息。
進(jìn)程阻塞和喚醒的事件
1.請求系統(tǒng)服務(wù)而得不到滿足時，如問系統(tǒng)請求打印。
2.啟動的操作需同步時：如該操作和請求該操作的進(jìn)程需同步運(yùn)行。
3.新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)：如進(jìn)程A寫，進(jìn)程B讀，則A未寫，完B不能讀。
4.無新工作可做。
進(jìn)程的掛起和激活
1.進(jìn)程的掛起過程，由進(jìn)程自己，或其父進(jìn)程suspend原語完成。將該進(jìn)程PCB移到指定區(qū)域，注意狀態(tài)的改變，有可能要重新調(diào)度。
2.進(jìn)程的激活過程，激活active原語激活進(jìn)程。激活原語將進(jìn)程從外存調(diào)入內(nèi)存，檢查該進(jìn)程的現(xiàn)行狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)操作。
進(jìn)程同步
動畫展示，臨界區(qū)的資源，在某個時刻，只能有一個進(jìn)程在使用。
臨界資源
一旦有對資源的共享，就必然涉及競爭限制。
臨界資源用來表示一種，公共資源或者說是共享數(shù)據(jù)，可以被多個線程使用。
但是每一次，只能有一個線程使用它。一旦臨界資源被占用，其他線程，要想使用這個資源，就必須等待。
進(jìn)程同步的主要任務(wù)是，對多個相關(guān)進(jìn)程，在執(zhí)行次序上進(jìn)行協(xié)調(diào)，以使并發(fā)執(zhí)行的諸進(jìn)程之間，能有效地共享資源和相互合作，從而使程序的執(zhí)行，具有可再現(xiàn)性。
臨界區(qū)
有了臨界資源的概念，就很容易理解臨界區(qū)的概念。在程序中，所有的操作，都是通過代碼執(zhí)行的，訪問臨界資源的那段代碼就是臨界區(qū)
處理競爭或者合作依賴導(dǎo)致的制約
空閑讓進(jìn)：對于臨界資源，如果空閑沒有被使用，誰來了之后都可以使用
忙則等待：如果臨界資源正在被使用，那么其他后來者就需要進(jìn)行等待。
有限等待：要求訪問臨界資源的進(jìn)程，應(yīng)保證有限時間內(nèi)，能進(jìn)入自己的臨界區(qū)，自己不能傻傻的等
讓權(quán)等待：如果無法進(jìn)入自己的臨界區(qū)時，應(yīng)立即釋放處理機(jī)，而不能占著CPU死等，你死等就算了，別人卻也不能用了。
鎖
鎖
鎖就是對資源施加控制，鎖指的是一種控制權(quán)。
當(dāng)進(jìn)入臨界區(qū)時，我們稱之為獲得鎖，獲得鎖之后就可以訪問臨界資源。
其他線程想要進(jìn)入臨界區(qū)，也需要先獲得鎖。
當(dāng)前線程結(jié)束后，將會釋放鎖，別的線程就可以獲取這個資源的鎖。
死鎖
鎖表示一種控制權(quán)，對臨界資源的訪問權(quán)限。
下面動畫展示，兩個小人，都要使用資源1和資源2，才能達(dá)到對面。左邊小人戰(zhàn)友資源1，右邊小人占有資源2。他們占有當(dāng)前資源，再去獲取對方的資源時，就會產(chǎn)生死鎖的情況。
如果臨界資源不止一個，就可能出現(xiàn)：需要先后訪問兩種臨界資源A和B，thread1獲得了A線程的鎖之后，等待獲得B的鎖，但是thread2獲得了資源B的鎖，在等待A資源的鎖，這就出現(xiàn)了互相等待的情況。
解決方案
AND型信號量機(jī)制就是用于解決這種多共享資源下的同步問題的。
將進(jìn)程在整個運(yùn)行過程中，需要的所有資源，一次性全部地分配給進(jìn)程，待進(jìn)程使用完后再一起釋放。
只要尚有一個資源未能分配給進(jìn)程，其它所有可能為之分配的資源，也不分配給它。
也就是對，若干個臨界資源的分配，采取原子操作方式：要么把它所請求的資源全部分配到進(jìn)程，要么一個也不分配。
進(jìn)程間通信
如果兩個進(jìn)程，想要知道對方在干嘛，或者進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)行，就需要進(jìn)程間通信。下面介紹一下常見的進(jìn)程間通信方式。
無名管道：管道是一種半雙工的通信方式。數(shù)據(jù)只能單向流動，而且只能在，具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用。進(jìn)程間的親緣關(guān)系，通常指父子進(jìn)程關(guān)系。
有名管道：有名管道也是，半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。
消息隊列：消息隊列是有消息的鏈表，存放在內(nèi)核中，并由消息隊列標(biāo)識符標(biāo)識。它克服了信號傳遞信息少，管道只能承載無格式字符流以及緩沖區(qū)大小受限等特點(diǎn)。
信號量：是一個計數(shù)器，可以用來控制多個進(jìn)程對共享內(nèi)存的訪問。它作為一種鎖機(jī)制，防止某個進(jìn)程，正在訪問共享資源的時候，其他進(jìn)程也訪問該資源，造成資源搶占。
信號：一種較復(fù)雜的通信方式，用于通知和接收進(jìn)程某個事件的發(fā)生。
共享內(nèi)存：是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個進(jìn)程創(chuàng)建，但多個進(jìn)程都可以訪問。
套接字：是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他通信機(jī)制不同的是，它可用于 不同機(jī)器間的進(jìn)程通信。
絮叨
上面介紹了一些進(jìn)程相關(guān)的基礎(chǔ)知識，希望能幫到大家。
進(jìn)程，作為操作系統(tǒng)中的重要概念，不管在工作還是面試中，都會涉及到。
祝大家學(xué)習(xí)愉快！
作者：良知猶存，白天努力工作，晚上原創(chuàng)公號號主。公眾號內(nèi)容除了技術(shù)還有些人生感悟，一個認(rèn)真輸出內(nèi)容的職場老司機(jī)，也是一個技術(shù)之外豐富生活的人，攝影、音樂 and 籃球 。關(guān)注我，與我一起同行。