這是操作系統系列第 2 篇。 如果你想知道操作系統每天都在做些什麼，那就打開你的資源監視器： 資源監視器截圖，Windows 10 單獨通過這一張圖，我們就能夠總結出操作系統的幾個重要功能： 進程管理 線程管理 記憶體管理 I/O 管理 （包含了磁碟調度） 文件管理 ，這一功能在圖裡沒有表現出來，但我 ...
這是操作系統系列第 2 篇。
如果你想知道操作系統每天都在做些什麼，那就打開你的資源監視器：
資源監視器截圖，Windows 10
單獨通過這一張圖，我們就能夠總結出操作系統的幾個重要功能：
- 進程管理
- 線程管理
- 記憶體管理
- I/O 管理（包含了磁碟調度）
- 文件管理，這一功能在圖裡沒有表現出來，但我相信每個使用電腦的人都知道它。
為什麼我要從進程開始講起呢？
原因很簡單，我們每天使用電腦，包括手機和電腦，本質上是使用運行在其操作系統上的應用程式。對於我們來講，操作系統最為直觀的功能就是進程管理，所以，讓我們從進程管理入手，由表及裡，一步步深挖操作系統的本質。
進程是什麼？
我在第一篇文章里簡單提到了進程這一概念，這裡再詳細講一下，加深理解。
操作系統的設計從根本上來說是為了迎合用戶需求，對個人用戶來說，需求就是在一臺電腦上運行多個應用程式，以滿足生活和工作的需要。但應用程式這麼多，不可能讓每一個程式占用一個 CPU 核心啊，因為 CPU 核心是有限的，人的需求是無限的。
所以操作系統就需要將無限（誇張一下）的應用程式，分配到有限的 CPU 上去。
當我們打開一堆程式時，這些程式就會被載入到記憶體上，為了讓這些運行的程式與沒有打開的程式作區分，我們創造了進程（Process）這個名詞。所以，進程就是對運行的程式的一種抽象，具有動態性。進程管理其實就是操作系統通過某種方式，管理我們已經打開的程式。
註：為了簡化後面的討論，我們假設所說的電腦是單核的。
進程的狀態有哪幾種？
講到進程，我們必然需要瞭解進程狀態，想要瞭解進程的狀態，我們就得從進程的角度，看一看進程的一生會發生什麼。
首先，用戶打開某個應用程式，這個程式就處於新建態（New），這個時候操作系統還沒有為這個程式做好準備工作，這個進程自身還沒有進入記憶體，可能還留在磁碟里。
等到這個進程被載入進記憶體，就代表它已經準備好運行了，但因為 CPU 資源正被別的進程占用，它只能等待操作系統為它分配 CPU。這個狀態稱為就緒態（Ready）。
在就緒態一段時間後，總會分配到 CPU 資源，一旦進程開始執行，它就進入了運行態（Running）。
有的進程可能會執行某些阻塞操作，就拿 I/O 操作來舉例子，執行操作後，進程需要等待 I/O 操作完成，第一篇文章講過，進程在這段時間內是無法使用 CPU 的，如果讓它繼續占用 CPU，就造成了資源浪費。所以操作系統會剝奪它的 CPU 使用權，並把它放在阻塞態。等到 I/O 操作結束後，再將其放入就緒態。
還有最後一種狀態——退出態，顧名思義，進程終止後，就會進入退出態，這個進程可能還沒有從記憶體中清理出去。等到進程完全退出記憶體，進程的一生就徹底結束了。
綜合以上的討論，我們得到了進程的 5 種狀態：
細心的讀者可能會發現，運行態到阻塞態，以及阻塞態到就緒態之間的箭頭是單向的。為什麼？
先來看看運行態和阻塞態。回憶一下，一個進程處於阻塞態代表什麼？（希望你看到這確實停下來思考了）
一個進程處於阻塞態，代表進程執行了某個阻塞操作，正在等待操作的結果。也就是說，處於阻塞態的進程沒有使用 CPU 的能力，所以即使給了它 CPU 它也沒辦法運行，自然無法進入執行狀態。所以從阻塞態是無法直接跳到運行態的。
再來說說就緒態和阻塞態。如果一個進程位於就緒態，說明它現在沒有使用 CPU，所以更不可能執行阻塞操作。因此從就緒態也不能直接跳轉到阻塞態。
結合剛剛的解釋，我們來看看一個簡單的進程的排隊模型：
圖中的 ABCDEF 代表了進程
要註意的是，就緒態，運行態和阻塞態提供了一種描述進程行為的系統方法，指導了操作系統的實現，許多實際的操作系統都是按照這樣的三種狀態進行具體構造的。但這不代表就沒有其他狀態的立足之地了，在一些實現中（其實是主流實現，但由於牽扯到虛擬記憶體的概念，所以留到以後講解），還有掛起態等狀態。但不管哪種狀態，他們都是為了操作系統能夠最大化利用電腦資源而抽象出來的。
留幾個小問題做思考：
- 為什麼只有從運行態才能轉換到退出態？
- 你能看懂上圖排隊模型嗎？
PCB 是什麼東西？
操作系統在管理和控制進程的時候，首先必須知道進程的位置（即進程被載入到哪一塊記憶體了），其次，它還需要知道進程的屬性，如進程 ID，進程狀態等，所以我們就得有一個結構能夠保存這些信息。
進程式控制制塊（Process Control Block）就是這麼一個結構。進程式控制制塊會在程式啟動時就被創建出來。
進程式控制制塊的主要內容及記憶體映像（字醜勿怪）
我們可以看到，PCB 中存儲著進程 ID，寄存器狀態，棧指針等重要信息，這些信息現在看來非常陌生，但以後隨著你對操作系統理解的加深，你就會理解這些信息的含義和作用。
圖中還有一個信息，那就是 PCB 存儲在內核空間——表明只有操作系統有權利更改 PCB 裡面的內容。因為 PCB 太重要了，如果其內部信息被惡意修改，將造成進程意外終止，甚至可能導致操作系統的崩潰。
總結
讓我們來串一下今天的內容：
如果一個程式開始運行，那麼操作系統就會為其創建一個進程式控制制塊，並將其載入到記憶體中，進程式控制制塊內的「進程狀態」信息會更改為就緒態，並將進程放入就緒隊列等待分配 CPU。一旦分得 CPU，進程就進入運行態，根據實際情況，還可能因為執行阻塞操作而進入阻塞態，等到程式運行完畢，進程就被操作系統清出記憶體，然後刪除其進程式控制制塊。
如果看完上一段，對黑體字的概念還很模糊，那我建議你再慢慢看一遍文章，而且一定要帶上自己的思考，沒有經過思考的閱讀的效率是很低的。
希望你在看完文章之後有所收穫。感謝你的閱讀，我們後會有期！
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