這是作業系統系列第 2 篇。

如果你想知道作業系統每天都在做些什麼，那就開啟你的資源監視器：

資源監視器截圖，Windows 10

單獨通過這一張圖，我們就能夠總結出作業系統的幾個重要功能：

• 程序管理
• 執行緒管理
• 記憶體管理
• I/O 管理（包含了磁碟排程）
• 檔案管理，這一功能在圖裡沒有表現出來，但我相信每個使用計算機的人都知道它。

為什麼我要從程序開始講起呢？

原因很簡單，我們每天使用計算機，包括手機和電腦，本質上是使用執行在其作業系統上的應用程式。對於我們來講，作業系統最為直觀的功能就是程序管理，所以，讓我們從程序管理入手，由表及裡，一步步深挖作業系統的本質。

程序是什麼？

我在第一篇文章裡簡單提到了程序這一概念，這裡再詳細講一下，加深理解。

作業系統的設計從根本上來說是為了迎合使用者需求，對個人使用者來說，需求就是在一臺計算機上執行多個應用程式，以滿足生活和工作的需要。但應用程式這麼多，不可能讓每一個程式佔用一個 CPU 核心啊，因為 CPU 核心是有限的，人的需求是無限的。

所以作業系統就需要將無限（誇張一下）的應用程式，分配到有限的 CPU 上去。

當我們開啟一堆程式時，這些程式就會被載入到記憶體上，為了讓這些執行的程式與沒有開啟的程式作區分，我們創造了程序（Process）這個名詞。所以，程序就是對執行的程式的一種抽象，具有動態性。程序管理其實就是作業系統通過某種方式，管理我們已經開啟的程式。

注：為了簡化後面的討論，我們假設所說的計算機是單核的。

程序的狀態有哪幾種？

講到程序，我們必然需要了解程序狀態，想要了解程序的狀態，我們就得從程序的角度，看一看程序的一生會發生什麼。

首先，使用者開啟某個應用程式，這個程式就處於新建態（New），這個時候作業系統還沒有為這個程式做好準備工作，這個程序自身還沒有進入記憶體，可能還留在磁盤裡。

等到這個程序被載入進記憶體，就代表它已經準備好運行了，但因為 CPU 資源正被別的程序佔用，它只能等待作業系統為它分配 CPU。這個狀態稱為就緒態（Ready）。

在就緒態一段時間後，總會分配到 CPU 資源，一旦程序開始執行，它就進入了執行態（Running）。

有的程序可能會執行某些阻塞操作，就拿 I/O 操作來舉例子，執行操作後，程序需要等待 I/O 操作完成，第一篇文章講過，程序在這段時間內是無法使用 CPU 的，如果讓它繼續佔用 CPU，就造成了資源浪費。所以作業系統會剝奪它的 CPU 使用權，並把它放在阻塞態。等到 I/O 操作結束後，再將其放入就緒態。

還有最後一種狀態——退出態，顧名思義，程序終止後，就會進入退出態，這個程序可能還沒有從記憶體中清理出去。等到程序完全退出記憶體，程序的一生就徹底結束了。

綜合以上的討論，我們得到了程序的 5 種狀態：

細心的讀者可能會發現，執行態到阻塞態，以及阻塞態到就緒態之間的箭頭是單向的。為什麼？

先來看看執行態和阻塞態。回憶一下，一個程序處於阻塞態代表什麼？（希望你看到這確實停下來思考了）

一個程序處於阻塞態，代表程序執行了某個阻塞操作，正在等待操作的結果。也就是說，處於阻塞態的程序沒有使用 CPU 的能力，所以即使給了它 CPU 它也沒辦法執行，自然無法進入執行狀態。所以從阻塞態是無法直接跳到執行態的。

再來說說就緒態和阻塞態。如果一個程序位於就緒態，說明它現在沒有使用 CPU，所以更不可能執行阻塞操作。因此從就緒態也不能直接跳轉到阻塞態。

結合剛剛的解釋，我們來看看一個簡單的程序的排隊模型：

圖中的 ABCDEF 代表了程序

要注意的是，就緒態，執行態和阻塞態提供了一種描述程序行為的系統方法，指導了作業系統的實現，許多實際的作業系統都是按照這樣的三種狀態進行具體構造的。但這不代表就沒有其他狀態的立足之地了，在一些實現中（其實是主流實現，但由於牽扯到虛擬記憶體的概念，所以留到以後講解），還有掛起態等狀態。但不管哪種狀態，他們都是為了作業系統能夠最大化利用計算機資源而抽象出來的。

留幾個小問題做思考：

1. 為什麼只有從執行態才能轉換到退出態？
2. 你能看懂上圖排隊模型嗎？

PCB 是什麼東西？

作業系統在管理和控制程序的時候，首先必須知道程序的位置（即程序被載入到哪一塊記憶體了），其次，它還需要知道程序的屬性，如程序 ID，程序狀態等，所以我們就得有一個結構能夠儲存這些資訊。

程序控制塊（Process Control Block）就是這麼一個結構。程序控制塊會在程式啟動時就被創建出來。

程序控制塊的主要內容及記憶體映像（字醜勿怪）

我們可以看到，PCB 中儲存著程序 ID，暫存器狀態，棧指標等重要資訊，這些資訊現在看來非常陌生，但以後隨著你對作業系統理解的加深，你就會理解這些資訊的含義和作用。

圖中還有一個資訊，那就是 PCB 儲存在核心空間——表明只有作業系統有權利更改 PCB 裡面的內容。因為 PCB 太重要了，如果其內部資訊被惡意修改，將造成程序意外終止，甚至可能導致作業系統的崩潰。

總結

讓我們來串一下今天的內容：

如果一個程式開始執行，那麼作業系統就會為其建立一個程序控制塊，並將其載入到記憶體中，程序控制塊內的「程序狀態」資訊會更改為就緒態，並將程序放入就緒佇列等待分配 CPU。一旦分得 CPU，程序就進入執行態，根據實際情況，還可能因為執行阻塞操作而進入阻塞態，等到程式執行完畢，程序就被作業系統清出記憶體，然後刪除其程序控制塊。

如果看完上一段，對黑體字的概念還很模糊，那我建議你再慢慢看一遍文章，而且一定要帶上自己的思考，沒有經過思考的閱讀的效率是很低的。

希望你在看完文章之後有所收穫。感謝你的閱讀，我們後會有期！

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