1一句话 + 关键问题

一句话：进程（process）就是运行中的程序。磁盘上的程序只是一堆静止的指令和数据；操作系统把它加载进内存、准备好栈和堆、打开标准输入输出，然后让它在 CPU 上跑起来，它才成为"进程"。

上一章（第 2 章）我们看到四个 cpu 程序在一个 CPU 上"同时"打印。本章给出背后的核心抽象：操作系统通过时分共享（time sharing）——运行一个进程一会儿、停下、再运行另一个——虚拟化 CPU。本章回答"进程是什么、由什么组成、处于哪些状态、操作系统用什么数据结构记录它"；接下来第 5 章讲创建进程的真实 API（fork/exec/wait），第 6 章讲切换进程的底层机制，第 7–10 章讲决定运行谁的策略。

2核心概念速览

3进程由什么组成：机器状态

要理解"进程"，就要问：一个程序运行时，机器的哪些部分对它的执行是重要的？把这些部分列一张清单，就是进程的机器状态（machine state）。原书给出三类：

• 内存：指令在内存里，程序读写的数据也在内存里。进程能寻址的那部分内存叫它的地址空间（address space）。
• 寄存器：很多指令直接读写寄存器。其中有几个特殊的：程序计数器（PC，program counter，也叫指令指针 IP）指明下一条要执行的指令；栈指针（stack pointer）和帧指针（frame pointer）管理存放函数参数、局部变量和返回地址的栈。
• I/O 信息：程序经常访问持久存储设备，比如进程当前打开的文件列表。

时分共享与空分共享

4进程 API：任何操作系统都得提供的五类接口

真实的 UNIX API 留到第 5 章。这里先看任何现代操作系统的进程接口都必须包含哪几类功能：

5进程创建：从程序到进程

程序最初以某种可执行格式（executable format）躺在磁盘（或 SSD）上。操作系统要让它跑起来，大致要做下面这几件事（原书 4.3 节）。用下面的模拟器逐步观察，并对比"一次全部加载"与"懒加载"：

1. 加载代码和静态数据（如已初始化的全局变量）到进程的地址空间。早期（或简单）的 OS 急切地（eagerly）一次全部加载；现代 OS 懒惰地（lazily）只在用到时才加载某一部分——要真正理解懒加载，需要后面虚拟内存部分的分页（paging）和交换（swapping）知识。
2. 分配运行时栈：C 程序用栈存放局部变量、函数参数和返回地址。OS 还会用参数初始化栈——具体说，填好 main() 的 argc 和 argv。
3. 分配堆（可能）：C 程序用堆存放 malloc() 显式申请、free() 显式释放的动态数据（链表、哈希表、树……）。堆一开始很小，程序不断 malloc() 时 OS 可能介入分配更多内存。
4. I/O 相关初始化：UNIX 中每个进程默认有三个打开的文件描述符（file descriptor）：标准输入、标准输出、标准错误。
5. 从入口点开始运行：跳到 main()（通过下一章讲的特殊机制），把 CPU 的控制权交给新进程。

6进程状态

在简化的视角下，进程在任意时刻处于三种状态之一：

• 运行（Running）：正在某个处理器上执行指令。
• 就绪（Ready）：已经准备好运行，但 OS 此刻选择不运行它。
• 阻塞（Blocked）：执行了某种操作，在另一个事件发生之前不能运行。典型例子：向磁盘发起 I/O 请求后阻塞，于是别的进程可以使用处理器。

原书用两个例子追踪两个进程的状态。第一个只用 CPU、不做 I/O（图 4.3）；第二个中进程 0 在运行 3 拍后发起 I/O（图 4.4）：

即使这么简单的例子，OS 也做了两个决策：① 进程 0 发起 I/O 时，决定运行进程 1——让 CPU 保持忙碌，提高了资源利用率；② 进程 0 的 I/O 完成时，决定不立刻切回进程 0。第二个决定好不好？原书把问题留给你——下面的模拟器可以让你亲手比较两种做法。这类决策由 OS 的调度器（scheduler）做出，是第 7 章起的主题。

几个关键细节（与 process-run.py 一致）：

• 一条 io 指令本身占 1 拍 CPU（发出请求），之后进程阻塞 I/O 时长 拍；I/O 完成的那一拍标 *，进程回到 READY，之后还要执行一条 io_done。
• SWITCH_ON_IO：进程发起 I/O 时立即切换到下一个就绪进程；SWITCH_ON_END：只有当前进程彻底结束才切换——等 I/O 时 CPU 就白白空着。
• IO_RUN_LATER：I/O 完成后，发起者只是回到就绪队列，当前进程继续跑；IO_RUN_IMMEDIATE：立刻切回发起者（当前进程被换下）。
• CPU 利用率 = CPU 忙的拍数 / 总拍数；I/O 利用率 = 至少有一个 I/O 在进行的拍数 / 总拍数。

7数据结构：进程列表与 PCB

OS 也是一个程序，也有自己的关键数据结构。为了跟踪每个进程，它会维护一个进程列表（process list，也叫任务列表 task list），记录所有就绪的进程、当前正在运行的进程，并以某种方式跟踪阻塞的进程——这样 I/O 事件完成时，才能唤醒正确的进程。列表里描述单个进程的结构，常被称为进程控制块（PCB，Process Control Block）或进程描述符（process descriptor）——说穿了就是一个 C 结构体。

下面是教学操作系统 xv6 内核里的 struct proc（原书图 4.5），加了中文注释：

// xv6 在停止、重新启动一个进程时要保存/恢复的寄存器
struct context {
  int eip;   // 指令指针（PC）
  int esp;   // 栈指针
  int ebx; int ecx; int edx; int esi; int edi; int ebp;
};
// 进程可能处于的状态
enum proc_state { UNUSED, EMBRYO, SLEEPING,
                  RUNNABLE, RUNNING, ZOMBIE };
// xv6 为每个进程记录的信息（包括寄存器上下文和状态）
struct proc {
  char *mem;                  // 进程内存的起始地址
  uint sz;                    // 进程内存大小
  char *kstack;               // 该进程内核栈的底部
  enum proc_state state;      // 进程状态
  int pid;                    // 进程 ID
  struct proc *parent;        // 父进程
  void *chan;                 // 非零：正在 chan 上睡眠（等待某事件）
  int killed;                 // 非零：已被杀死
  struct file *ofile[NOFILE]; // 打开的文件
  struct inode *cwd;          // 当前目录
  struct context context;     // 切换到这里来运行进程
  struct trapframe *tf;       // 当前中断的陷阱帧
};

• ①寄存器上下文（register context）：进程被停下时，它的寄存器值保存到这里；把这些值放回物理寄存器，进程就能从断点继续。这就是第 6 章的上下文切换（context switch）。
• ②状态：除了运行（RUNNING）、就绪（RUNNABLE）、阻塞（SLEEPING），还有 UNUSED（空槽）、EMBRYO（正在创建的初始状态）和 ZOMBIE（僵尸，已退出但尚未清理的最终状态）。
• ③chan：阻塞的进程在等什么。I/O 完成时 OS 据此找到并唤醒正确的进程。
• ④parent 与 ofile[]：父子关系和打开文件表，第 5 章的 wait() 和重定向都依赖它们。

最终状态：僵尸（zombie）

进程退出后并不会立刻消失，而是进入最终状态：已经退出、但还没被清理——UNIX 称之为僵尸状态。这样做的用处是：让其他进程（通常是创建它的父进程）检查它的返回码，看它是否执行成功（UNIX 程序成功时通常返回 0，否则返回非零）。父进程最后调用 wait() 等待子进程完成，同时告诉 OS 可以清理与这个已消亡进程有关的数据结构了。

8先预测，再验证

以下题目改编自原书第 4 章作业。先在纸上写出你的预测，再到"进程状态追踪器"里载入对应示例验证（默认 I/O 时长为 5）。

9动手实验

cd labs/04-process && make
./states     # fork 出 4 个子进程：计算中 / 睡眠 / 被暂停 / 已退出，用 ps 看 STAT 列
./layout     # 代码、静态数据、堆、栈的地址 + 懒加载前后的物理内存占用
./pcb        # 从 /proc/<pid>/status 读 Linux 的"PCB"字段和打开文件表

$ ./states
$ ps -o pid,ppid,stat,cmd --ppid 343636
    PID    PPID STAT CMD
 343637  343636 R    ./states          ← 忙着计算：Running/Ready（Linux 统一记为 R）
 343638  343636 S    ./states          ← sleep(2)：Blocked
 343639  343636 T    ./states          ← SIGSTOP：被挂起（其他控制）
 343640  343636 Z    [states] <defunct>  ← 已退出、未被 wait：僵尸
waitpid 回收了 343637，退出码 0
waitpid 回收了 343638，退出码 0
waitpid 回收了 343639，退出码 0
waitpid 回收了 343640，退出码 0

$ ./layout
代码   main()        @ 0x569bf8872273
静态   initialized   @ 0x569bf8875060
静态   big[] (.bss)  @ 0x569bf88750a0
堆     malloc()      @ 0x569c3333d2a0
栈     local         @ 0x7ffe2464fe44
栈     argv[0]="./layout" @ 0x7ffe24651034（OS 在栈上准备好的 argc/argv）

懒加载（lazy）：
  访问 big[] 之前 VmRSS =   1408 KiB
  写满 big[] 之后 VmRSS =  67072 KiB

10自测题

11常见误区与本章小结