进程：概念、PCB 与进程状态机

一句话定义

进程是"执行中的程序"加上它所占资源的封装，是操作系统进行资源分配的基本单位；内核用进程控制块（PCB）记录它的全部元数据。

为什么重要

进程是操作系统三大抽象中的第一个，也是用户可见的最重要抽象。理解"程序是静态文件、进程是动态实体"的区别，是理解调度、隔离、IPC 的一切前提；日常排查中"进程状态是什么"往往就是问题的第一步线索。

前置知识

kp-003（进程的创建与退出都是系统调用）。

核心概念

• 程序 vs 进程：程序是磁盘上的可执行文件（静态），进程是它的一次运行实例（动态），同一程序可同时对应多个进程。
• PCB（Process Control Block）：内核中描述进程的结构体，Linux 里即 task_struct。
• PID：进程标识符，/proc/<pid> 目录是内核把 PCB 部分信息暴露给用户的窗口。
• 五状态模型：新建、就绪、运行、阻塞、终止。

原理与机制

PCB 的典型字段：进程 ID 与父进程 ID、CPU 上下文（寄存器快照、程序计数器）、进程状态、内存描述符（页表指针）、打开文件表、信号处理表、凭证（uid/gid）、调度信息（优先级、时间片）。

五状态机的转移规则：

        创建             被调度器选中
 新建 -----------> 就绪 ------------------> 运行
                     ^    <------------------ |
                     |      时间片用尽/被抢占   |
                     |                        | 等待 I/O 或事件
                     |    I/O 完成/事件到达     v
                     +--------------------- 阻塞
 运行 -------> 终止 (exit 后保留 PCB 成为僵尸，直到父进程 wait)

三个易混淆点：运行到就绪是"被抢占"（非自愿），运行到阻塞是"主动等待 I/O"；阻塞进程不参与 CPU 竞争，事件到达后才回到就绪；终止后的进程在父进程回收前以僵尸态存在（详见 kp-007）。

图示

状态与资源的对应：就绪队列排队的是"CPU 使用权"，阻塞队列挂在具体设备或事件上——一个进程可能同时"不在就绪队列、而在磁盘等待队列"。

直观类比

进程像一张在医院就诊的病人档案（PCB）：病历记录着全部状态；病人要么在候诊区（就绪）等着叫号上 CPU（诊室），要么去做检查（阻塞 I/O），检查完回到候诊区，最后离院（终止）但档案要等结算（wait）后才销毁。

实例或案例

ps aux                     # 看全系统进程，STAT 列即状态：R 运行/就绪、S 可中断睡眠、D 不可中断睡眠、Z 僵尸
cat /proc/self/status      # 当前 shell 的状态、上下文切换计数（macOS 用 ps 命令替代）
sleep 300 & ps -o stat,pid,cmd -C sleep   # 观察一个睡眠态进程

D 状态（不可中断睡眠）常出现在 NFS 卡住或磁盘故障时，kill -9 都杀不掉它，这正是"阻塞不等于运行也不等于僵尸"的活教材。

常见误区

• 认为进程数越多 CPU 利用率越高：阻塞态进程根本不占 CPU，利用率取决于就绪队列的长度与切换开销。
• 混淆僵尸与孤儿：僵尸是"已死未被收尸"（父进程没 wait），孤儿是"父进程先死"（被 init/systemd 收养，无害）。
• 认为 /proc 里的信息是应用自己写的：全部来自内核的 PCB。

与其他知识点的关系

kp-006 讲状态机里"运行/就绪"之间切换的具体动作；kp-010 讲"谁从就绪队列里被选中"；kp-007 讲新建与终止两条边上的系统调用。

延伸阅读

《操作系统概念》第 3 章；man 5 proc。

自测题

1. 程序和进程的区别是什么？

答：程序是磁盘上的静态可执行文件；进程是该程序的一次动态执行实例，拥有独立的地址空间、PCB 与运行状态。

1. 进程从"运行"回到"就绪"和进入"阻塞"的本质区别？

答：前者是非自愿地被剥夺 CPU（时间片用尽或被更高优先级抢占），仍是 CPU 候选；后者是主动等待 I/O/事件，在事件到来前不再参与 CPU 竞争。

1. 僵尸进程为什么存在？

答：内核必须保留已退出进程的退出码等 PCB 信息，直到父进程调用 wait 读取；收尸机制未发生，僵尸就持续存在。