PCB的作用及其包含的信息

PCB

为了使参与并发执行的每个程序，包含数据都能独立地运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构，称为进程控制块（PCB,Process Control Block）。进程与PCB是一一对应的，用户进程不能修改。

进程控制块PCB的作用：
为了便于系统描述和管理进程的运行，在OS的核心为每个进程专门定义了一个数据结构——进程控制块PCB（Process　Control　Block）。PCB作为进程实体的一部分，记录了操作系统所需的，用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息，是操作系统中最重要的记录型数据结构。PCB的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据）成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。
（１）PCB作为独立运行基本单位的标志。当一个程序（含数据）配置了PCB后，就表示它已经是一个能在多道程序环境下独立运行的、合法的基本单位，也就具有取得OS服务的权力，如打开文件系统中的文件，请求获得系统中的I/O设备，以及与其它相关进程的进行通信等。因此，当系统创建一个新进程时，就为它建立了一个PCB。进程结束时又回收其PCB，进程于是也随之消亡。系统是通过PCB感知进程的存在的。事实上，PCB已成为进程存在于系统中的唯一标志。
（２）PCB能实现间断性运行方式。在多道程序环境下，程序是采用停停走走间断性的运行方式运行的。当进程因阻塞而暂停运行时，它必须保留自己运行时的CPU现场信息。在有了PCB后，系统就可以将CPU现场信息保存在被中断进程的PCB中，供该进程再次被调度执行时恢复CPU现场时使用。由此，可再次明确，在多道程序环境下，作为传统意义上的静态程序，因其并不具有保护或保存自己运行现场的手段，无法保证其运行结果的可再现性，从而失去运行的意义。
（３）PCB提供进程管理所需要的信息。当调度程序调度到某进程运行时，只能根据该进程PCB中记录的程序和数据在内存或外存中的始址指针，找到相应的程序和数据；在进程运行过程中，当需要访问文件系统中的文件或I/O设备时，也都需要借助于PCB中的信息。另外，还可根据PCB中的资源清单了解到该进程所需的全部资源等。可见，在进程的整个生命周期中，操作系统总是根据PCB实施对进程的控制和管理。
（４）PCB提供进程调度所需要的信息。只有处于就绪状态的进程才能被调度执行，而在PCB中就提供了进程出于何种状态的信息。如果进程处于就绪状态，系统便将它插入到进程就绪队列中，等待着调度程序的调度；另外在进行调度时往往还需要了解进程的其他信息，如在优先级调度算法中，就需要知道进程的优先级。在有些较为公平的调度算法中，还需要知道进程的等待时间和已执行过的事件等。
（５）PCB实现与其他进程的同步与通信。进程同步机制是用于实现诸进程的协调运行的，在采用信号量机制时，它要求在每个进程中都设置有相应的用于同步的信号量。在PCB中还具有用于实现进程通信的区域或通信队列指针等。

进程控制块中的信息：
在进程控制块中，主要包括以下几个方面的信息：
（１）进程标识符：进程标识符用于唯一的表示一个进程。一个进程通常有两种标识符：①外部标识符。为了方便用户进程对进程的访问，须为每一个进程设置一个外部标识符。它是由创建者提供的，通常由字母、数字组成。为了描述进程的家族关系，还应设置父进程标识及子进程标识。此外，还可设置用户标识，以指示拥有该进程的用户。②内部标识符。为了方便系统对进程的使用，在OS中又为进程设置了内部标识符，即赋予每一个进程一个唯一的数字标识符，它通常是一个进程的序号。
（２）处理机状态：处理机状态信息也称为处理机的上下文，主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。这些寄存器包括：①通用寄存器，又称为用户可视寄存器，它们是用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有８～３２个通用寄存器，在RISC结构的计算机中可超过１００个；②指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址；③程序状态字PSW，其中含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等；④用户栈指针，指每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址。栈指针指向该栈的栈顶。处理机处于执行状态时，正在处理的许多信息都是放在寄存器中。当进程被切换时，处理机状态信息都必须保存在相应的PCB中，以便在该进程重新执行是能再从断点继续执行。
（３）进程调度信息：在OS进行调度时，必须了解进程的状态及有关进程调度的信息，这些信息包括：①进程状态，指明进程的当前状态，它是作为进程调度和对换时的依据；②进程优先级，是用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机；③进程调度所需的其他信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如，进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等等；④事件，是指进程由执行态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。
（４）进程控制信息：是指用于进程控制所必须的信息，它包括：①程序和数据的地址，进程实体中的程序和数据的内存或外存地址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据；②进程同步和通信机制，这是实现同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中；③资源清单，在该清单中列出了进程在运行期间所需的全部资源（除CPU），另外还有一张已分配到该进程的资源的清单；④链接指针，它给出了本进程（PCB）所在队列中的下一个进程地PCB的首地址。

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