在 作業系統學習筆記-1：基礎概念 中，我們介紹了與作業系統相關的一些概念，在 作業系統學習筆記-2：體系結構設計和執行機制 中，我們又介紹了作業系統的結構設計和執行機制，從這篇筆記開始，我們會逐一講解作業系統的各個基本功能。
一切圍繞這張圖來進行：
1. 關於程式
1.1 程式：
為了方便作業系統管理，對併發執行的各個程式加以控制和描述，引入了程式的概念。
1.2 PCB：
定義：
之前的單道批處理系統，程式是序列執行的，記憶體中可能只需要記錄單一程式的程度段和資料段即可；但是現在使用的是多道批處理系統，多個程式併發執行，記憶體中就可能存在多個程式自己的程式段和資料段，那麼這時候就需要一個管理單元對這些東西加以區分、描述和管理，所以就額外多了一個程式控制塊，也就是 PCB（process control block）。
系統會為每一個執行的程式分配 PCB 這麼一個資料結構，用以描述程式的各種資訊。PCB 是程式存在的唯一標誌，程式與 PCB 是一一對應的的。
PCB 記錄了關於程式的資訊，這些資訊包括：
- 程式識別符號：外部內部各一個
- 處理機狀態：通用暫存器、指令計數器、程式狀態字 PSW，使用者棧指標
- 程式排程資訊：程式狀態、程式優先順序、其它的程式排程資訊
- 程式控制資訊：程式和資料的地址、程式同步和通訊機制、資源清單、連結指標
1.3 程式實體：
程式段（程式程式碼）、資料段（變數、常量等），PCB（相關的管理資訊） 共同構成了程式實體（程式映像）。一般認為 程式實體 === 程式 === PCB
PS：下文提到的多個程式的組織方式，也可以說就是多個 PCB 的組織方式
1.4 程式與程式的對比：
- 程式是動態的（程式的執行），程式是靜態的（有序程式碼的集合）
- 程式是暫時的，程式是永久的
- 程式和程式的組成不同
- 通過多次執行，一個程式可以對應多個程式；通過呼叫關係，一個程式可以包括多個程式
2. 程式的組成和組織
2.1 單個程式的組成
- 程式描述資訊：程式識別符號PID（區分不同程式）使用者識別符號 UID（區分不同使用者）
- 程式控制和管理資訊：程式當前狀態、程式優先順序
- 資源分配清單：程式段指標、資料段指標、鍵鼠
- 處理機相關資訊：各種暫存器的值
2.2 多個程式的組織方式
連結方式：
按照程式狀態將 PCB 分為多個佇列，OS 持有指向各個佇列的指標（執行指標、就緒佇列指標、阻塞佇列指標）
索引（線性）方式：
按照程式狀態建立幾張索引表，OS 持有指向各個索引表的指標（執行指標、就緒表指標、阻塞表指標）
3. 程式的特徵
- 動態性：程式是程式的一次執行過程，是動態地產生、變化和消亡的
- 併發性：記憶體中有多個程式實體，各個程式可以併發執行
- 獨立性：程式是系統進行資源分配和排程的一個獨立單位
- 非同步性：各個程式以獨立的、不可預知的速度推進
- 結構性：每個程式都有一個自己的 PCB，程式由程度段、資料段、PCB 構成
4. 程式的狀態/生命週期
4.1 五種基本狀態：
**① 建立態：**初始化 PCB，為程式分配系統資源
**② 就緒態：**PCB 修改相應內容並被送到就緒佇列。萬事俱備（執行需要的條件都有了），只欠東風（只等 CPU 排程自己）
③ 執行態： PCB 修改相應內容，出隊（可能還會恢復程式執行環境）。該程式此時佔有 CPU 使用權，在 CPU 上執行（對於單核處理器，一個時刻只會有一個程式）
**④ 阻塞態（等待態）：**程式進行系統呼叫，或者等待事件發生時，進入阻塞態，PCB 修改相應內容並被送到相應事件的阻塞佇列
**⑤ 終止態（結束態）：**回收為程式分配的資源，撤銷 PCB
PS：由於事件有多個，所以阻塞佇列一般也是有多個的，一個事件對應一個阻塞佇列。而就緒佇列就只有一個了。
4.2 程式狀態的轉換：
4.3 引入掛起操作後
（1）掛起：
前面所說的狀態轉換，是建立在記憶體資源夠用的情況下 —— 當系統資源尤其是記憶體資源不夠時，就需要將一些程式掛起（suspend），對換到外存中。
（2）原因：
引起程式掛起的原因是多樣的，主要有：
-
系統中的程式均處於阻塞態，處理器空閒，此時需要把一些阻塞程式對換出去，以騰出足夠的記憶體裝入就緒程式執行。
-
程式競爭資源，導致系統資源不足，負荷過重，此時需要掛起部分程式以調整系統負荷，保證系統的實時性或讓系統正常執行。
-
把一些定期執行的程式（如審計程式、監控程式、記賬程式）對換出去，以減輕系統負荷。
-
使用者要求掛起自己的程式，以便根據中間執行情況和中間結果進行某些除錯、檢查和改正。
-
父程式要求掛起自己的後代程式，以進行某些檢查和改正。
-
作業系統需要掛起某些程式，檢查執行中資源使用情況，以改善系統效能；或當系統出現故障或某些功能受到破壞時，需要掛起某些程式以排除故障。
（3）狀態轉換
引入掛起操作後，在原來五種狀態的基礎上多了兩個狀態：就緒態變成了活動就緒態，且多了一個“靜止就緒態/掛起就緒態“；原來的阻塞態變成了活動阻塞態，且多了一個“靜止阻塞態/掛起阻塞態“。
| 狀態 | 解釋 |
|---|---|
| 活動就緒態 → 靜止就緒態 | 作業系統根據當前資源狀況和效能要求，可能會把活動就緒態對換出去，成為靜止就緒態。處於靜止就緒態的程式不再被排程執行； |
| 靜止就緒態 → 活動就緒態 | 記憶體中沒有程式處於活動就緒態，或者處於靜止就緒態的程式具有更高的優先順序，那麼靜止就緒態就會被對換回來，此時才可能被排程執行 |
| 活動阻塞態→ 靜止阻塞態 | 作業系統根據當前資源狀況和效能要求，可能會把活動阻塞態對換出去，成為靜止阻塞態。 |
| 靜止阻塞態→ 靜止就緒態 | 常見的情況是，引起程式等待的事件發生之後，相應的靜止阻塞態程式將轉換為靜止就緒態 |
| 靜止阻塞態→ 活動阻塞態 | 但有時候，如果靜止阻塞態程式的優先順序高於靜止就緒佇列中的任何程式、並且系統有把握它等待的事件即將完成，那麼就會啟用為活動阻塞態 |
| 執行態→ 靜止就緒態 | 優先順序較高的靜止阻塞態在等待的事件完成後，可能會搶佔 CPU，若此時資源不夠，則可能導致正在執行的程式掛起為靜止就緒態 |
| 建立態→ 靜止就緒態 | 作業系統根據當前資源狀況和效能要求，可能會在程式建立完就把它對換到外存 |
PS：程式一旦被掛起，就意味著它被對換到了外存中，此時該程式無法再被 CPU 直接排程，除非它被對換回記憶體中，回到活動就緒態。比如靜止就緒態、靜止阻塞態，最後要得到 CPU 的排程，都必須經歷迴歸到活動就緒態的過程。
那麼一個狀態具體是如何切換到另一個狀態的呢？
5. 程式的控制
在前面我們已經說過，程式的生命週期有多個狀態，而狀態的切換實質上是通過修改 PCB 的資訊、讓 PCB 出隊或者入隊來實現的，但是是誰來控制這個過程呢？—— 答案就是程式控制，程式控制指的是對系統中所有程式，從建立到終止的全過程實行的管理和控制。而程式控制是通過作業系統核心的 原語操作 來實現的。
原語（Primitive）其實就是程式 —— 由若干條機器指令構成，用以完成特定功能的一段程式。原語操作屬於原子操作（Atomic operation），具有不可中斷性，一旦執行就不允許被打斷。這種原子操作是依靠關中斷指令實現的，在關中斷指令下，即使有中斷訊號發射過來，也不會呼叫中斷處理程式去處理中斷，這就保證了原語操作不會被打斷。而在開中斷指令下，才會去處理中斷。
原語的基本操作無非三個：
- 更新 PCB 中的資訊（修改程式狀態標誌、儲存當前執行環境到 PCB、從 PCB 中恢復執行環境）
- 將 PCB 插入到合適的佇列
- 分配/回收資源
建立原語和撤銷原語配對，阻塞原語和喚醒原語配對，所以這裡我們放在一起講。
（1）建立原語
建立原語負責建立程式，具體包括：申請空白的 PCB，為新程式分配所需資源、初始化 PCB、將 PCB 插入到就緒佇列。
引起程式建立的事件一般有四種：
- 使用者登入：分時系統中，使用者登入成功，系統會為其建立一個新的程式
- 作業排程：多道批處理系統中，從作業佇列取出作業放入記憶體時，會為其建立一個新的程式
- 提供服務：使用者向作業系統請求服務時，會建立一個程式來處理請求
- 應用請求：應用/使用者程式主動請求建立一個子程式
（2）撤銷原語
撤銷程式負責終止程式，具體包括：從 PCB 集合中找到終止程式的 PCB，如果程式正在執行，則立即將它的 CPU 使用權移交給其它程式。接著終止它的所有子程式，將該程式的資源還給父程式或者作業系統，最後再刪除 PCB。
引起程式終止的事件一般有三類：
- 正常結束
- 異常結束
- 外界干預
（3）阻塞原語
阻塞原語負責讓程式從執行態轉換到阻塞態，具體包括：找到要阻塞的程式的 PCB，儲存當前執行環境到 PCB（方便後續恢復），修改 PCB 狀態資訊。接著暫停程式的執行，將 PCB 插入相應事件的等待佇列
引起程式阻塞的事件一般是：
- 等待系統分配資源
- 請求系統某些服務（比如列印服務）
- 啟動某種操作（比如 I/O 操作）
- 新資料尚未到達
- 無新工作可做
注意：前面我們說過，程式從執行態切換到阻塞態，是一個主動的過程，這個主動體現在是程式自己呼叫了阻塞原語
（4）喚醒原語
喚醒原語負責讓阻塞的程式重新回到就緒態，具體包括：在事件等待佇列中找到 PCB，讓他出隊，修改 PCB 的狀態資訊，再將 PCB 插入到就緒佇列，等待 CPU 對他進行排程
一般在等待的事件發生時，程式就會被喚醒。
注意：前面我們說過，程式從阻塞態切換到執行態，是一個被動的過程，這個被動體現在並不是程式自己呼叫了喚醒原語，而是“合作”程式進行了呼叫（比如說 I/O 程式）
（5）切換原語
前面的原語主要都是操作一個程式，而切換原語同時操作到了兩個程式。
切換原語負責讓當前執行的程式從 A 切換為 B，具體包括：
-
一方面，將 A 的執行環境儲存到 PCB 中，再將其 PCB 移入到相應的佇列（如果當前程式是從執行態到阻塞態，那麼就進入等待佇列；如果是從執行態到就緒態，那麼就進入就緒佇列）
-
另一方面，選擇 B 程式執行，更新其 PCB，同時可能會恢復其執行環境（考慮到 B 程式此前可能曾處於阻塞態）
引起程式切換的事件一般有四種：
- 當前程式的時間片被消耗完
- 有更高優先順序的程式到達，搶佔了當前程式正在使用的 CPU
- 當前程式主動阻塞
- 當前程式終止
（6）掛起原語和啟用原語
掛起原語：
將程式從記憶體對換到外存，具體包括：找到需要掛起的程式的 PCB，檢查它的狀態並做相應操作（執行態、活動就緒態 ——> 靜止就緒態，活動阻塞態 ——> 靜止阻塞態），之後將該 PCB 複製到指定的記憶體區域。
引起程式掛起的事件，比如，使用者程式請求將自己掛起，或父程式請求將自己的某個子程式掛起
啟用原語：
將程式從外存對換回記憶體，檢查該程式的現行狀態並進行相應操作（靜止就緒態——>活動就緒態，靜止阻塞 ——> 活動阻塞態）。引起程式啟用的事件，比如，父程式或使用者程式請求啟用指定程式，或者是某個程式駐留在外存而記憶體中已有足夠的空間
參考：