一、引子

文章开始之前，我们先思考几个问题：

• 到底什么是进程？
• 操作系统为什么要引入进程？
• 进程的出现解决了什么问题？

本文我们来分析一下进程诞生的背景。进程的概念起源于操作系统，是操作系统最核心的概念，所以要想真正理解进程，我们需要从操作系统的起源讲起。

二、操作系统

什么是操作系统？

操作系统位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件。
操作系统是计算机的【管理者】，负责管理硬件资源（如 CPU、内存、存储）和软件运行，为用户和程序提供使用计算机的接口。

为什么需要操作系统？

简单说就是为用户程序提供一个更简单、更清晰的计算机模型，并管理CPU、内存等硬件资源。

2.1 操作系统的发展史

• 无操作系统阶段

背景：
早期计算机（如 ENIAC）主要用于科学计算，用户直接操作硬件。
特点：

无操作系统：程序员和计算机之间的交互完全依赖于手工操作，缺乏统一的资源调度和管理。

人工操作：人工调度任务，无自动化。

问题：
效率低，计算机只能运行单个任务。

• 批处理系统阶段

背景：
由于当时的计算机非常昂贵，人们自然希望减少机器的空闲时间。为此，批处理系统应运而生。
特点：
作业队列：作业不再由用户手动操作，而是排入队列，计算机自动依次执行，提高了计算机的利用率。
操作系统的雏形：出现了管理计算资源的早期软件，即操作系统。
程序设计语言的出现：FORTRAN 等高级语言的引入，使编程更加高效、抽象。
进程管理的雏形：为支持多个作业的高效管理，出现了早期的进程概念。

问题：
人工参与：尽管作业可以自动排队执行，但作业的提交和结果处理仍需要人为干预，流程不够完全自动化。
顺序计算：作业按照先后顺序依次执行，缺乏并行处理能力。

• 多道程序阶段

背景：
随着计算机硬件的逐步提升和计算任务的增加，单一程序的顺序执行效率无法满足需求。用户希望能够同时运行多个程序，提高系统资源的利用率。
特点：
并发的初步探索：多道程序设计允许计算机将多个程序同时加载到内存中，通过时间共享的方式交替运行不同的程序。
进程的概念：随着多个程序并发运行，进程管理逐渐成为操作系统的重要组成部分，操作系统开始提供进程调度、内存管理等机制。

• 分时系统阶段

背景：
随着计算机硬件（如CPU性能和内存容量）的进步，计算机系统开始支持多个用户同时访问。分时系统（Time-Sharing） 因此诞生。
特点：
真正的多任务操作：分时系统允许多个用户同时使用一台计算机，每个用户有自己的虚拟时间片。
进程调度和管理：系统需要实现更加复杂的调度算法，以公平合理地为多个用户分配计算资源。
共享系统资源：多个用户共享计算机资源，如何避免用户之间的干扰和资源争夺成为了新问题。

• 实时操作系统阶段

背景：
工业控制、航空航天等领域需要对外界输入迅速做出反应。
特点：
保证任务在规定时间内完成，具有强实时性和可靠性。

• 单用户操作系统阶段

背景：
个人计算机的兴起，计算机走向家庭和办公场景。
特点：
面向单用户设计，操作简单。

• 图形化操作系统阶段

背景：
用户对计算机的需求从命令行操作转向更直观的界面。
特点：
图形用户界面（GUI）使用户通过鼠标点击和窗口操作计算机。

• 网络操作系统阶段

背景：
互联网的兴起，计算机开始联网协作。
特点：
操作系统集成了网络功能，支持多用户远程操作。

• 移动和嵌入式操作系统阶段

背景：
移动设备（智能手机、平板）和物联网（IoT）设备兴起。
特点：
专为资源受限设备设计，具有低功耗、轻量化特点。

三、进程

3.1 进程诞生的背景

计算机刚出现的时候，是为了解决数学计算的问题，因为很多大量的计算通过人力去完成是很耗时间和人力成本的。

在最初的时候，计算机只能接受一些特定的指令，用户输入一个指令，计算机就做一个操作。当用户在思考或者输入数据时，计算机就在等待。显然，这样效率会很低下，因为很多时候，计算机处于等待用户输入的状态。

那么，能不能把一系列需要操作的指令预先写下来，形成一个清单，然后一次性交给计算机，计算机不断地去读取指令来进行相应的操作？

就这样，批处理操作系统诞生了。用户可以将需要执行的多个程序写在磁带上，然后交由计算机去读取并逐个地执行这些程序，并将输出结果写到另一个磁带上。

虽然批处理操作系统的诞生极大地提高了任务处理的便捷性，但是仍然存在一个很大的问题：假如有两个任务 A 和 B，任务 A 在执行到一半的过程中，需要读取大量的数据输入（I/O操作），而此时CPU 只能静静地等待任务 A 读取完数据才能继续执行，这样就白白浪费了 CPU 资源。

如下图所示：

人们于是想：

能否在 任务 A 读取数据的过程中，让 任务B 去执行；
当 任务A 读取完数据之后，让 任务B 暂停，然后让 任务A 继续执行？

但是这样就有一个问题，原来每次都是一个程序在计算机里面运行，也就说内存中始终只有一个程序的运行数据。而如果想要 任务A 执行 I/O操作 的时候，让 任务B 去执行，必然内存中要装入多个程序，那么如何处理呢？多个程序使用的数据如何进行辨别呢？并且，当一个程序运行暂停后，后面如何恢复到它之前执行的状态呢？

这个时候，人们就发明了进程，用进程来对应一个程序，每个进程对应一定的内存地址空间，并且只能使用它自己的内存空间，各个进程间互不干扰。并且，进程保存了程序每个时刻的运行状态，这样就为进程切换提供了可能。当进程暂停时，它会保存当前进程的状态（比如进程标识、进程的使用的资源等），在下一次重新切换回来时，便根据之前保存的状态进行恢复，然后继续执行。

正是进程的诞生，让并发成为可能。

3.2 进程的定义

进程是一个程序在计算机中执行的实例。它不仅包括程序的代码，还包括程序的当前状态、资源（如内存、CPU时间等）、程序计数器、堆栈和数据等。 进程是操作系统进行资源管理和调度的基本单位。

简单来说，进程就是程序在运行时的【容器】，它包含了程序执行所需要的一切资源和信息。当你启动一个应用程序时，操作系统会为该程序创建一个进程，以便管理和执行。

如下图所示：

3.3 进程的特点

在多道程序环境下，多个程序可以同时执行，这时它们的执行变得不再是线性的。由于多个程序交替执行，它们的运行会被中断，且每次执行的顺序和结果可能不同，这使得程序本身失去了原有的封闭性和可预测性。简单来说，程序执行的结果可能会因为并发执行而变得不可再现，这让程序在并发环境下变得不太适用。

为了让程序能够在这种并发环境下正确运行，并且能够对这些并发程序进行管理和控制，操作系统引入了进程的概念。

我们来分析一下进程的核心特点：

1、独立性：进程是系统中资源的独立单位，拥有自己的地址空间、数据、堆栈和程序计数器等。每个进程之间相互独立，彼此不直接干扰。
2、隔离性：进程之间相互隔离，一个进程的崩溃或错误不会直接影响到其他进程。操作系统通过虚拟内存、进程控制等机制确保这种隔离。
3、并发性：在多任务环境中，多个进程可以同时执行，操作系统通过时间片轮转等方式调度它们的执行。虽然计算机只能在某一时刻执行一个进程，但由于快速切换，多个进程看起来是同时运行的。

四、总结

我们回到文章开头的几个问题。

4.1 操作系统为什么引入进程？

在多道程序环境下，多个程序可以同时执行，这时它们的执行变得不再是线性的。由于多个程序交替执行，它们的运行会被中断，且每次执行的顺序和结果可能不同，这使得程序本身失去了原有的封闭性和可预测性。简单来说，程序执行的结果可能会因为并发执行而变得不可再现，这让程序在并发环境下变得不太适用。

通常的程序是不能参与并发执行的。为了让程序能够在这种并发环境下正确运行，并且能够对这些并发程序进行管理和控制，操作系统引入了进程的概念。

通过引入进程，操作系统能够更好地管理计算机资源，支持多任务并发执行，同时提高系统的稳定性和效率。

4.2 到底什么是进程？进程和程序的区别。

无论是 Java 代码还是 Python 代码，它们本质上只是静态的文件。当我们将 Java 代码编译成二进制文件后运行，这段代码就从静态的文件转变为一个正在运行的程序。我们把这个运行中的程序称为进程。

进程本质上是操作系统中正在运行的程序的一个实例。它是程序的执行过程，包含了程序代码以及执行过程中所需的资源（如内存、CPU时间、I/O设备等）。

4.3 进程如何配合操作系统实现并发？

1、进程的独立性与隔离：
每个进程都有独立的地址空间和资源，这由操作系统分配并管理，确保一个进程的操作不会干扰其他进程。
隔离性解决了多个程序并发运行时的资源冲突问题。
2、调度机制：操作系统通过调度器对多个进程进行管理，利用时间片轮转或优先级调度等算法，让多个进程在一个 CPU 上并发运行。
3、进程状态管理：进程的执行状态（如寄存器内容、程序计数器等）存储在进程控制块（PCB）中，调度时可以快速切换。

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原创 摸鱼的Tom