程序管理、記憶體管理和檔案管理是作業系統的三大核心功能，那麼什麼是程序呢？顧名思義，程序就是進展中的程式，或者說程序是執行中的程式。當一個程式被加載到記憶體之後就變為了程序。是以，我們可以得到：程序=程式+執行。本篇将會對程序、程序模型、程序狀态以及程序的缺陷等進行學習，為後續學習程序排程與程序通信打下堅實基礎。
一、程序是什麼鬼？
1.1 從工作到程序
程序在Multics作業系統出現之前被叫做工作（Job），工作是IBM用于多道批處理程式設計中的概念。由于曆史原因，Multics作業系統的研發人員不願意承用IBM發明的術語，于是将工作改為了程序（Process）。
1.2 實作CPU的多道程式設計
在計算機發展的初期，單一操作員單一控制終端，CPU使用率很低。為了提高CPU使用率，人們想要将多個程式同時加載到計算裡并發執行。于是，這些同時存在于計算機記憶體中的程式就被稱為程序。程序的出現，讓每個使用者感覺到自己在獨占CPU。是以，可以說程序就是為了在CPU上實作多道程式設計而出現的概念，如下圖所示。
人們發明程序是為了支援多道程式設計，而進行多道程式設計的目的則是為了提高計算機CPU的使用率（或者說系統的吞吐量）。例如，如果一個程序有20%的時間使用CPU進行計算，另外80%的時間用來進行I/O，則在單道程式設計下CPU的使用率隻有20%。單如果同時運作兩個這樣的程序，即使用2道程式設計，則CPU隻在兩個程序同時進行I/O時才會處于閑置狀态，是以CPU使用率将會提高到：1-0.8*0.8=0.36=>36%。同理，如果同時運作更多的程序，CPU使用率會逐漸提高，直到某個臨界點為止。（PS：這裡的例子忽略了程序切換所需要的系統消耗）
二、程序模型
2.1 三個視角看程序模型
（1）實體視角：從實體記憶體的配置設定來看，每個程序占用一片記憶體空間，從這點上看，程序其實就是記憶體的某片空間。由于在任意時刻，一個CPU隻能執行一條指令，是以任意時刻在CPU上執行的程序隻有一個，而到底執行哪條指令是由實體程式計數器指定。是以，在實體層面，所有程序共用一個程式計數器，隻是CPU在不停地做程序切換。
（2）邏輯視角：從邏輯層面來看，每個程序都可以執行，也可以暫時挂起讓别的程序執行，之後又可以接着執行。是以，程序需要想辦法保持狀态才能在下次接着執行時從正确的地點開始。是以，每個程序都有自己的計數器，記錄其下一條指令所在的位置。（從邏輯上來說，程式計數器可以有多個）
（3）時序視角：從時間來看，每個程序都必須往前推進。在運作一定時間後，程序都應該完成了一定的工作量。換句話說，每次程序傳回，它都處在上次傳回點之後。哲學家有雲：“一個人不能兩次踏入同一條河流”。
2.2 程序模型如何實作
（1）實體基礎：程序的實體基礎是程式，程式又運作在計算機上，是以計算機上要運作程式首先要解決程序的存儲：給程序配置設定記憶體，使其安身立命。由于多個程序可能同時并存，是以需要考慮如何讓多個程序共享同一個實體記憶體而不發生沖突。OS通過記憶體管理來解決這個問題。
（2）程序切換：程序運作實際上是指程序在CPU上執行，那麼如何将CPU在多個程序之間進行切換也是一個問題。OS通過程序排程來解決這個問題。所謂程序排程，就是決定在什麼時候讓什麼程序來使用CPU。
三、程序的層次與狀态
3.1 程序的層次結構
一個程序在執行過程中可以通過系統調用建立新的程序，這個新的程序就稱為子程序，而建立子程序的程序則被稱為父程序。
子程序又可以再建立子程序，于是這樣子子孫孫地建立下去就形成了所謂的程序樹。
3.2 程序的狀态轉換
基本的程序狀态主要有3種：執行、阻塞和就緒，如下圖所示：
那麼，程序被挂起阻塞有哪些原因呢？首先是一個程序在運作過程中執行了某種阻塞操作，例如讀寫磁盤。（由于阻塞操作需要等待結果後才能繼續執行，是以OS将把這個程序挂起，讓其他程序運轉）其次是一個程序執行的時間太長了，為了公平，OS将其挂起進而讓其他程序也有機會執行。
PS：當然，上述闡述的3種典型狀态并不是唯一的分類方式，事實上，許多商業OS的程序都不止3個，比如Windows的程序就有7種狀态。
四、程序管理概要
4.1 需要的手段
首先看看一個人的出生對一個社會來說意味着什麼？在一個人出生後，醫院需要為其建立記錄，該記錄包括諸如姓名、性别、體重、父母資訊、何時何地出生等資訊，然後會通過該記錄來登記戶口，辦理身份證等等。辦完手續之後，這個人就正式存在，稱為一個公民。當然，我們得goverment就可以對這個人進行各種管理了，比如你不能亂說話，不能亂遊行等等。
與一個社會管理人的過程類似，OS要管理程序就需要維護程序的一些資訊，OS用于維護程序記錄的結構就是程序表或程序控制塊（Process Control Block，PCB）。那麼程序表裡有什麼記錄呢？一般來說，維護的記錄應該包含：寄存器、程式計數器、狀态字、棧指針、優先級、程序ID、建立時間、所耗CPU時間、目前持有的各種句柄等等。
4.2 建立的過程
一般來說，OS建立程序的步驟如下圖所示：
在不同的OS中，建立程序的方法也不同，例如Windows中是通過系統調用完成程序建立的，這個系統調用就是CreateProcess。
4.3 處理的問題
人類社會最大的問題就是資源配置設定，程序管理的最大問題也是如此。雖然程序沒有自我意識，但我們的本性還是追求公平的。除了公平，還需要考慮：效率。于是，公平與效率就成了程序管理中永恒的主題。
4.4 程序的缺陷
假定有兩部都很好地島國愛情動作片，都隻放映一次，以後就再也不放映了。而且，這兩部片子還是同時放映（狗血劇情啊！），還在兩個不同的小房間放映。而你在同一時間隻能做一件事情，是以你不得不放棄另外一部。程序亦是如此，這也是程序的缺點，如果想要同時做兩件或多件事情，程序就不夠用了。并且，如果程序在執行的過程中發生阻塞，例如等待輸入，整個程序就将被挂起（暫停），而無法繼續執行。這樣，即使程序裡面有部分工作不依賴于輸入資料，也無法推進。
是以，為了解決上述兩個問題，人們發明了線程。
欲知後事如何，還聽下回分解。
參考資料
鄒恒明，《作業系統之哲學原理》，機械工業出版社
作者：周旭龍
出處：http://edisonchou.cnblogs.com
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