非正式定义：进程就是运行中的程序
程序是磁盘上的静态指令与数据，本身无生命周期；操作系统将其加载运行后，才成为进程。人们希望同时运行多个程序（浏览器、邮件、游戏等），系统常有上百个进程并发，因此核心挑战是：
关键问题：如何提供有许多 CPU 的假象？
CPU 虚拟化：通过让进程轮流占用时间片并切换，操作系统制造出「多虚拟 CPU」的假象，即时分共享（time sharing）。代价是每个进程变慢，因为 CPU 被共享。
实现虚拟化需要两层能力：
-
机制（mechanism）：一些低级方法或协议，实现了所需的功能。
如上下文切换（context switch）：停止当前程序、在 CPU 上启动另一程序。所有现代 OS 都采用分时机制。
-
策略（policy）：操作系统内做出某种决定的算法。
如调度策略（scheduling policy）：在多个就绪进程中决定运行哪一个，可依据历史信息、工作负载类型、性能目标（交互性 vs 吞吐量）等。
时分共享 vs 空分共享
- 时分共享：资源按时间轮流分配（如 CPU、网络）。
- 空分共享：资源按空间划分（如磁盘块分配给文件后，删除前不可复用）。
策略 vs 机制
- 机制回答「如何」（how），如：如何执行上下文切换。
- 策略回答「哪个」（which），如：应运行哪个进程。
“如何（how）”“哪个（which）”分离二者便于改策略而不动机制，体现模块化设计原则。
抽象：进程
进程（process）是运行中程序的抽象，其本质由机器状态（machine state）概括——程序运行时可读/写的部分。
机器状态包括：
- 内存：指令与数据所在处，进程可访问的内存称为地址空间（address space）。
- 寄存器：指令直接读写，其中关键的有：程序计数器（PC/IP）（当前执行指令）、栈指针/帧指针（函数参数栈、局部变量、返回地址）。
进程 API
现代 OS 均提供进程 API，具体实现留待第 5 章。接口通常包含：
- 创建（create）：shell 键入命令或双击图标时，调用 OS 创建新进程并运行指定程序
- 销毁（destroy）：进程可自行退出，也可通过接口强制终止失控进程
- 等待（wait）：等待某进程结束
- 其他控制：如暂停（pause）、恢复（resume）
- 状态（status）：查询进程运行时长、当前状态等
进程创建：更多细节
程序转化为进程的步骤：
- 加载（load）：从磁盘将代码和静态数据读入进程地址空间。早期 OS 急于（eagerly）全量加载；现代 OS 惰性（lazily）按需加载，分页/交换机制留待内存虚拟化章节。
- 分配栈：为运行时栈（stack）分配内存，存放局部变量、函数参数、返回地址；用 argc/argv 初始化 main()。
- 分配堆：为堆（heap）分配内存，供 malloc()/free() 动态分配；初始较小，随 malloc 调用由 OS 扩展。
- I/O 初始化：如 UNIX 默认打开 3 个文件描述符（stdin/stdout/stderr）。
- 启动：跳转到 main()，将 CPU 控制权交给新进程，程序开始执行。
进程状态
进程在任一时刻处于以下 3 种状态之一：
- 运行（running）：正在 CPU 上执行指令
- 就绪（ready）：已准备好运行，但 OS 暂未调度
- 阻塞（blocked）：等待某事件（如 I/O 完成）才可继续，典型如发起磁盘 I/O 后被阻塞
状态转换：就绪→运行为调度（scheduled），运行→就绪为取消调度（descheduled）。阻塞后 OS 保持该状态直至事件发生（如 I/O 完成），再转入就绪。
两进程共用 CPU 时，状态如表 4.1 所示。
| 时间 | Process0 | 注 | Process1 | 注 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 运行 | 就绪 | ||
| 2 | 运行 | 就绪 | ||
| 3 | 运行 | 就绪 | ||
| 4 | 运行 | Process0 现在完成 | 就绪 | |
| 5 | — | 运行 | ||
| 6 | — | 运行 | ||
| 7 | — | 运行 | ||
| 8 | — | 运行 | Process1 现在完成 |
若 Process0 运行中发起 I/O 请求，则被阻塞，Process1 得以运行。表 4.2 展示该场景。
| 时间 | Process0 | 注 | Process1 | 注 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 运行 | 就绪 | ||
| 2 | 运行 | 就绪 | ||
| 3 | 运行 | Process0 发起 I/O | 就绪 | |
| 4 | 阻塞 | Process0 被阻塞 | 运行 | 所以 Process1 运行 |
| 5 | 阻塞 | 运行 | ||
| 6 | 阻塞 | I/O 完成 | 运行 | |
| 7 | 就绪 | 运行 | ||
| 8 | 就绪 | 运行 | Process1 现在完成 | |
| 9 | 运行 | — | ||
| 10 | 运行 | Process0 现在完成 | — |
流程简述：Process0 发起 I/O 后阻塞，OS 调度 Process1 运行；I/O 完成后 Process0 回到就绪，Process1 结束后 Process0 再运行并完成。
OS 需做多项决策：在 Process0 发起 I/O 时运行 Process1（提高 CPU 利用率）；I/O 完成时是否立即切回 Process0。此类决策由调度程序完成，后续章节详述。
数据结构
OS 用数据结构跟踪进程：进程列表（process list）记录就绪/运行/阻塞进程，I/O 完成时能唤醒对应进程。图 4.3 展示 xv6 中每进程需跟踪的信息，Linux/macOS/Windows 有类似结构。
寄存器上下文：进程停止时，寄存器保存到 context；恢复时写回物理寄存器即可继续运行，即上下文切换（context switch），后续详述。
// the registers xv6 will save and restore to stop and subsequently restart a process
struct context {
int eip;
int esp;
int ebx;
int ecx;
int edx;
int esi;
int edi;
int ebp;
};
// the different states a process can be in
enum proc_state { UNUSED, EMBRYO, SLEEPING, RUNNABLE, RUNNING, ZOMBIE };
// the information xv6 tracks about each process including its register context and state
struct proc {
char *mem; // Start of process memory
uint sz; // Size of process memory
char *kstack; // Bottom of kernel stack for this process
enum proc_state state; // Process state
int pid; // Process ID
struct proc *parent; // Parent process
void *chan; // If non-zero, sleeping on chan
int killed; // If non-zero, have been killed
struct file *ofile[NOFILE]; // Open files
struct inode *cwd; // Current directory
struct context context; // Switch here to run process
struct trapframe *tf; // Trap frame for the current interrupt
}; xv6 的 proc_state 除运行/就绪/阻塞外，还有：初始状态（如 EMBRYO，创建时）、僵尸状态（ZOMBIE，已退出未清理）。僵尸态允许父进程通过 wait() 获取返回码（0 表示成功），并通知 OS 清理子进程数据结构。
进程列表与 PCB进程列表（process list）跟踪系统中所有进程。
存储单进程信息的结构常称进程控制块（PCB），即
proc这类 C 结构。