PCB[进程控制块作用]

PCB为了描述控制进程的运行，系统中存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块（PCBProcessControlBlock），它是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录性数据结构。它是进程管理和控制的最重要的数据结构，每一个进程均有一个PCB，在创建进程时，建立PCB，伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消。中文名进程管理块外文名ProcessControlBlockPCB中记录了操作系统所需的，用于描述进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息。PCB的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。例如，当OS要调度某进程执行时，要从该进程的PCB中查处其现行状态及优先级；在调度到某进程后，要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据其PCB中的程序和数据的内存始址，找到其程序和数据；进程在执行过程中，当需要和与之合作的进程实现同步，通信或者访问文件时，也都需要访问PCB；当进程由于某种原因而暂停执行时，又须将器断点的处理机环境保存在PCB中。可见，在进程的整个生命期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，即系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的。所以说，PCB是进程存在的唯一标志。组成PCB进程控制块是进程的静态描述，由PCB、有关程序段和该程序段对其进行操作的数据结构集三部分组成。在Unix或类Unix系统中，进程是由进程控制块，进程执行的程序，进程执行时所用数据，进程运行使用的工作区组成。其中进程控制块是最重要的一部分。进程控制块是用来描述进程的当前状态，本身特性的数据结构，是进程中组成的最关键部分，其中含有描述进程信息和控制信息，是进程的集中特性反映，是操作系统对进程具体进行识别和控制的依据。PCB一般包括：1.程序ID（PID、进程句柄）：它是唯一的，一个进程都必须对应一个PID。PID一般是整形数字2.特征信息：一般分系统进程、用户进程、或者内核进程等3.进程状态：运行、就绪、阻塞，表示进程现的运行情况4.优先级：表示获得CPU控制权的优先级大小5.通信信息：进程之间的通信关系的反映，由于操作系统会提供通信信道6.现场保护区：保护阻塞的进程用7.资源需求、分配控制信息8.进程实体信息，指明程序路径和名称，进程数据在物理内存还是在交换分区（分页）中9.其他信息：工作单位，工作区，文件信息等作用1进程控制块：进程控制块的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（包含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。2程序段：是进程中能被进程调度程序在CPU上执行的程序代码段。3数据段：一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行后产生的中间或最终数据。包含信息在不同的操作系统中对进程的控制和管理机制不同，PCB中的信息多少也不一样，通常PCB应包含如下一些信息。1、进程标识符信息每个进程都必须有一个唯一的标识符，可以是字符串，也可以是一个数字。UNIX系统中就是一个整型数。在进程创建时由系统赋予。进程标识符用于唯一的标识一个进程。一个进程通常有以下两种标识符。外部标识符。由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是用户（进程）访问该进程使用。外部标识符便于记忆，如：计算进程、打印进程、发送进程、接收进程等。内部标识符：为了方便系统使用而设置的。在所有的OS中，都为每一个进程赋予一个唯一的整数，作为内部标识符。它通常就是一个进程的符号，为了描述进程的家族关系，还应该设置父进程标识符以及子进程标识符。还可以设置用户标识符，来指示该进程由哪个用户拥有。2、处理机状态信息说明进程当前所处的状态。为了管理的方便，系统设计时会将相同的状态的进程组成一个队列，如就绪进程队列，等待进程则要根据等待的事件组成多个等待队列，如等待打印机队列、等待等。处理机状态信息主要是由处理机各种寄存器中的内容所组成。通用寄存器。又称为用户可视寄存器，可被用户程序访问，用于暂存信息。指令寄存器。存放要访问的下一条指令的地址。程序状态字PSW。其中含有状态信息。（条件码、执行方式、中断屏蔽标志等）用户栈指针。每个用户进程有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址。栈指针指向该栈的栈顶。3.进程调度信息在PCB中还存放了一些与进程调度和进程对换有关的信息。（1）进程状态。指明进程当前的状态，作为进程调度和对换时的依据。（2）进程优先级。用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程优先获得处理机。（3）进程调度所需要的其他信息。（进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和）（4）事件。这是进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件。（阻塞原因）进程上下文：是进程执行活动全过程的静态描述。包括计算机系统中与执行该进程有关的各种寄存器的值、程序段在经过编译之后形成的机器指令代码集、数据集及各种堆栈值和PCB结构。可按一定的执行层次组合，如用户级上下文、系统级上下文等。进程存在的唯一标志：在进程的整个生命周期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，亦即，系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的，所以说，PCB是进程存在的唯一标志。进程的特征1.动态性2.并发性3.独立性进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。没有建立进程的程序，不能作为一个独立的单位参加运行。4.异步性5.结构特性从结构上看，进程由程序段、数据段及PCB三部分组成。进程的状态及其转换1、进程的三种基本状态（1）就绪状态（Ready）当进程已经分配到除CPU以外的所有必要的资源后，只要能再获得处理机，就可以立即执行。（2）执行状态（Running）（运行状态）指进程已获得处理机而执行的状态。（3）阻塞状态（Block）（等待状态）进程因为发生某个事件而暂停执行时的状态（如：请求I/O、申请缓冲空间等）。有时也称“等待”状态或“睡眠”状态。2、进程状态转换①就绪→执行：调度②执行→等待：等待某个事件发生而睡眠③等待→就绪：因等待的事件发生而唤醒④执行→就绪：时间片用完或出现高优先就绪状态→执行状态处于就绪状态的进程，当进程调度程序为它分配了处理机后，该进程便由就绪状态变为执行状态，正在执行的进程也称为当前进程。执行状态→阻塞状态正在执行的进程因发生某件事件而无法执行。例如：进程请求访问临界资源，而该资源正被其它进程访问，则请求该资源的进程将由执行状态转变为阻塞状态。执行状态→就绪状态正在执行的进程，如果事件发生或中断而被暂停执行，该进程便由执行状态转变为就绪状态。（分时系统中，时间片用完；抢占调度方式中，优先权高抢占处理机）执行状态→终止状态当一个进程经完成或发生某事件，如程序中出现地址越界、非法指令等错误，而被异常结束时，进程将由执行状态转变为终止状态。进程控制在进程管理中的作用进程控制是进程管理中最基本的功能。它用于创建一个新进程，终止一个已完成的进程，或者去终止一个因出现某事件而使其无法运行下去的进程，还可负责进程运行中的状态转换。一、创建进程1.引起创建进程的事件在多道程序环境中，只有（作为）进程（时）才能在系统中运行。因此，为使程序能运行，就必须为它创建进程。导致一个进程去创建另一个进程的典型事件，可以有以下四类：1）用户登录在分时系统中，用户在终端键入登录命令后，如果是合法用户，系统将为该终端建立一个进程，并把它插入到就绪队列中。2）作业调度在批处理系统中，当作业调度程序按照一定的算法调度到某作业时，便将该作业装入到内存，为它分配必要的资源，并立即为它创建进程，再插入到就绪队列中。3）提供服务当运行中的用户程序提出某种请求后，系统将专门创建一个进程来提供用户所需要的服务，例如，用户程序要求进行文件打印，操作系统将为它创建一个打印进程，这样，不仅可以使打印进程与该用户进程并发执行，而且还便于计算出为完成打印任务所花费的时间。4）应用请求在上述三种情况中，都是由系统内核为它创建一个新进程，而这一类事件则是基于应用进程的需求，由它创建一个新的进程，以便使新进程以并发的运行方式完成特定任务。2.进程的创建过程一旦操作系统发现了要求创建新进程的事件后，便调用进程创建原语Creat（）按下述步骤创建一个新进程。1）申请空白PCB。为新进程申请获得唯一的数字标识符，并从PCB集合中索取一个空白PCB。2）为新进程分配资源。为新进程的程序和数据以及用户栈分配必要的内存空间。显然，此时操作系统必须知道新进程所需要的内存大小。3）初始化进程控制块。PCB的初始化包括：①初始化标识信息，将系统分配的标识符和父进程标识符，填入新的PCB中。②初始化处理机状态信息，使程序计数器指向程序的入口地址，使栈指针指向栈顶。③初始化处理机控制信息，将进程的状态设置为就绪状态或静止就绪状态，对于优先级，通常是将它设置为最低优先级，除非用户以显式的方式提出高优先级要求。4）将新进程插入就绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入到就绪队列中。二、进程终止1.引起进程终止的事件1）正常结束在任何计算机系统中，都应该有一个表示进程已经运行完成的指示。例如，在批处理系统中，通常在程序的最后安排一条Hold指令或终止的系统调用。当程序运行到Hold指令时，将产生一个中断，去通知OS本进程已经完成。2）异常结束在进程运行期间，由于出现某些错误和故障而迫使进程终止。这类异常事件很多，常见的有：越界错误，保护错，非法指令，特权指令错，运行超时，等待超时，算术运算错，I/O故障。3）外界干预外界干预并非指在本进程运行中出现了异常事件，而是指进程应外界的请求而终止运行。这些干预有：操作员或操作系统干预，父进程请求，父进程终止。2.进程的终止过程如果系统发生了上述要求终止进程的某事件后，OS便调用进程终止原语，按下述过程去终止指定的进程。1）根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程状态。2）若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真。用于指示该进程被终止后应重新进行调度。3）若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程予以终止，以防他们成为不可控的进程。4）将被终止的进程所拥有的全部资源，或者归还给其父进程，或者归还给系统。5）将被终止进程（它的PCB）从所在队列（或链表）中移出，等待其它程序来搜集信息。三、阻塞唤醒1.引起进程阻塞和唤醒的事件1）请求系统服务当正在执行的进程请求操作系统提供服务时，由于某种原因，操作系统并不立即满足该进程的要求时，该进程只能转变为阻塞状态来等待，一旦要求得到满足后，进程被唤醒。2）启动某种操作当进程启动某种操作后，如果该进程必须在该操作完成之后才能继续执行，则必须先使该进程阻塞，以等待该操作完成，该操作完成后，将该进程唤醒。3）新数据尚未到达对于相互合作的进程，如果其中一个进程需要先获得另一（合作）进程提供的数据才能运行以对数据进行处理，则是要其所需数据尚未到达，该进程只有（等待）阻塞，等到数据到达后，该进程被唤醒。4）无新工作可做系统往往设置一些具有某特定功能的系统进程，每当这种进程完成任务后，便把自己阻塞起来以等待新任务到来，新任务到达后，该进程被唤醒。2.进程阻塞过程正在执行的进程，当发现上述某事件后，由于无法继续执行，于是进程便通过调用阻塞原语block把自己阻塞。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为。进入block过程后，由于此时该进程还处于执行状态，所以应先立即停止执行，把进程控制块中的现行状态由执行改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列。如果系统中设置了因不同事件而阻塞的多个阻塞队列，则应将本进程插入到具有相同事件的阻塞（等待）队列。最后，转调度程序进行重新调度，将处理机分配给另一就绪进程，并进行切换，亦即，保留被阻塞进程的处理机状态（在PCB中），再按新