第二章 01进程与线程（王道）

一、进程的概念、组成、特征

1.1 进程的概念

• 静态与动态：
  • 程序是静态存放在磁盘中的可执行文件（如QQ.exe）
  • 进程（Process）是程序的一次动态执行过程。
• 本质区别：程序是指令集合的静态文件，进程是动态执行的实例。例如打开三个QQ登录窗口，系统会创建三个独立进程。

1.2 进程的组成 – PID（Process ID, 进程ID）

PID – 操作系统以进程为单位分配CPU、内存等资源，每个进程拥有独立的PID（进程标识符）。

1.2 进程的组成 – PCB（进程控制块）

PID、ID(UID)、进程分配资源情况、进程的运行情况等这些信息都被保存在一个数据结构PCB(Process Control Block)中，即进程控制块操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中

1.3 进程的组成 – 程序段、数据段

PCB – 给操作系统用的

程序段、数据段给进程自己用的

• 程序段：存放可执行文件的指令序列（如QQ.exe的代码）
• 数据段：存储运行时的变量等数据（如QQ登录账号信息）
• 进程实体（进程映像）：严格来说由PCB+程序段+数据段组成，是进程某一时刻的快照状态。

1.4 进程的组成

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

1.5 进程的特征

• 动态性：最基本特征，进程有创建→运行→终止的生命周期
• 并发性：多个进程实体可同时存在于内存并发执行
• 独立性：作为资源分配和调度的基本单位（线程引入后调度单位变化）
• 异步性：各进程以不可预知速度推进，需同步机制协调
• 结构性：每个进程均具备PCB+程序段+数据段的标准结构

1.6 进程知识回顾

PCB是进程存在的唯一标志

进程是能独立运行的、独立获得资源、独立接受调度的基本单位

二、进程的状态与转换

2.1 知识总览

2.2 进程的状态 – 创建态、就绪态

创建态

• 定义：进程正在被创建时的状态
• 系统操作：
  • 分配内存空间等系统资源
  • 完成PCB的初始化工作
• 转换时机：创建完成后进入就绪态

就绪态

• 定义：已具备运行条件但未获得CPU的状态
• 特点：
  • 仅缺少CPU资源
  • 系统中可能存在多个就绪态进程
• 调度机制：CPU空闲时操作系统会从就绪队列中选择进程运行

2.3 进程的状态 – 运行态

• 定义：进程正在CPU上执行的状态
• 执行特征：CPU正在处理该进程对应的程序指令序列
• 系统限制：
  • 单CPU环境下同一时刻最多一个运行态进程
  • 多核CPU可并行运行多个进程

2.4 进程的状态 – 阻塞态

• 别称：等待态(Waiting/Blocked)
• 触发条件：
  • 等待系统资源分配（如打印机）
  • 等待其他进程响应
  • 等待特定事件发生
• 特点：进程无法继续执行，必须释放CPU

2.5 进程的状态 – 终止态

• 别称：结束态(Terminated)
• 触发条件：
  • 进程主动调用 exit 系统调用
  • 遇到不可修复错误（如除零错误）
• 系统操作：
  • 回收所有资源（内存、设备等）
  • 撤销PCB
  • 进程从系统中彻底消失

2.6 进程状态的转换（五状态模型）

• 就绪态→运行态：进程被调度获得CPU
• 运行态→就绪态：
  • 时间片用完（时钟中断触发）
  • 被更高优先级进程抢占
• 运行态→阻塞态：
  • 主动请求等待资源/事件
  • 属于进程主动行为（通过系统调用）
• 阻塞态→就绪态：
  • 等待的资源/事件已就绪
  • 属于被动行为（进程无法控制）
• 创建态→就绪态：系统完成创建相关工作
• 运行态→终止态：进程正常结束或异常终止

2.7 三种基本状态

运行态、就绪态、阻塞态三种基本状态

进程PCB中，会有一个变量 state来表示进程的当前状态。如:1表示创建态、2表示就绪态、3表示运行态…

为了对同一个状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来。

• 核心状态：
  • 运行态(Running)：占有CPU并执行
  • 就绪态(Ready)：具备运行条件但无CPU
  • 阻塞态(Blocked)：因等待事件无法运行
• 特殊状态：
  • 创建态(New)：正在分配资源和初始化PCB
  • 终止态(Terminated)：正在回收资源和撤销PCB

2.8 进程的组织 – 链接方式

为了对同一个状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来，通过两种方式组织 – 链接方式、索引方式

• 队列结构：
  • 执行指针：指向当前运行态进程PCB
  • 就绪队列：按优先级排序（高优先级在队头）
  • 阻塞队列：可按等待资源类型细分
• 管理优势：便于操作系统统一调度管理

2.9 进程的组织 – 索引方式

• 实现方式：
  • 为不同状态建立索引表
  • 表项指向对应PCB
• 应用现状：多数操作系统采用链接方式

2.10 知识回顾（绿色为高频考点）

三、进程控制

3.1 知识总览

3.2 进程控制的概念

什么是进程控制？进程控制就是要实现进程状态转换

• 核心功能：对系统中所有进程实施有效管理，包括创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等。
• 简化理解：本质是实现进程状态转换（如创建态→就绪态→运行态→终止态/阻塞态）

3.3 如何实现进程控制？

原语关键特性：两条指令之间的代码段具有不可中断性

3.4 为什么要用原语实现？

3.5 如何实现原语的“原子性”

原语的原子性实现

• 原语的两个特权指令实现原子性：通过特权指令”关中断”和”开中断”实现
  • 关中断：执行后CPU不再检查中断信号，保证后续指令序列不被中断
  • 开中断：恢复中断检查机制
• 使用原语的目的：防止进程状态转换过程中出现数据不一致（如PCB状态变量与队列位置不符）

思考：如果这两个特权指令允许用户程序使用的话，会发生什么情况?

若在用户程序中滥用这两条指令，会导致程序独占CPU资源，所以开中断指令、关中断指令是特权指令，只能让内核使用，不能让普通的用户使用

3.6 进程控制相关的原语（程序）- 进程的创建

创建原语：

• 步骤：申请空白PCB→分配资源→初始化PCB→插入就绪队列
• 触发事件：
  • 用户登录（分时系统）
  • 作业调度（批处理系统）
  • 服务请求（如I/O操作）
  • 应用请求（创建子进程）

3.7 进程控制相关的原语（程序）- 进程的终止

撤销原语：

• 步骤：查找终止进程PCB→剥夺CPU→终止子进程→归还资源→删除PCB
• 引起进程终止的事件触发事件：
  • 正常结束（任务完成）
  • 异常结束（如除零错误）
  • 外界干预（如kill命令）

3.8 进程控制相关的原语（程序）- 进程的阻塞与唤醒

进程的阻塞

• 触发条件：运行态进程主动请求等待某事件（如I/O完成）
• 执行步骤：
  • 保护进程现场（保存寄存器等运行环境）
  • 修改PCB状态为阻塞态
  • 将PCB移入对应等待队列
• 现场保护：保存CPU寄存器值、程序计数器等上下文信息到PCB
• 队列机制：不同事件对应独立等待队列（如磁盘I/O队列、打印机队列等）

进程的唤醒

• 触发条件：进程等待的事件发生时（如I/O操作完成）
• 执行步骤：
  • 从等待队列移除PCB
  • 修改状态为就绪态
  • 插入就绪队列等待调度
• 资源继承：子进程终止时资源归还父进程（如示例中访达进程管理子进程内存）

配对原则：唤醒原语必须与阻塞原语成对出现

3.9 进程控制相关的原语（程序）- 进程的切换

切换原语的功能

• 状态转换: 切换原语会让正在运行的进程下处理机回到就绪队列，同时从就绪队列中选择一个就绪态进程上处理机运行
• PCB操作:
  • 将进程的运行环境信息存入PCB
  • 把进程的PCB移到相应队列（如下处理机进程的PCB回到就绪队列）
  • 挑选新进程并更新其PCB内容
  • 从新进程的PCB中恢复其运行环境

3.10 进程切换中提到的保存运行环境

• 运行环境保存与恢复 – 实现并发的关键技术
  • 环境保存: 寄存器为CPU共享资源，进程切换时需保存当前进程的寄存器值到PCB，防止被其他进程覆盖
  • 恢复过程: 当进程重新获得CPU时，从PCB恢复之前保存的寄存器值，保证程序能从中断处继续执行

思考:执行完指令3后，另一个进程开始上CPU运行。
注意:另一个进程在运行过程中也会使用各个寄存器

解决办法:在进程切换时先在PCB中保存这个进程的运行环境保存一些必要的寄存器信息

当原来的进程再次投入运行时，可以通过PCB恢复它的运行环境

3.11 知识回顾

原语三大操作:

• 更新PCB信息（状态/运行环境）

• 将PCB插入合适队列

• 资源分配/回收（创建/终止时）

四、进程通信（Inter-Process Communication, IPC）

进程通信的三种方式：共享存储、消息传递、管道通信

4.1 什么是进程间通信

• 定义: 进程间通信(Inter-Process Communication,IPC)是指两个或多个进程之间产生数据交互的过程。
• 必要性: 在系统运行多个进程时，进程间需要相互配合工作，例如微博分享文章到微信的过程就涉及进程通信。
• 实例: 微博应用通过内置分享功能将内容传递给微信应用，实现跨进程数据交互。

4.2 为什么进程通信需要操作系统支持

• 安全机制: 各进程内存地址空间相互独立，进程P不能直接访问进程Q的地址空间，防止恶意软件窃取数据。
• 由于进程间内存隔离，必须通过操作系统内核提供的机制才能完成数据交换。
• 安全示例: 若允许进程随意访问其他进程空间，可能导致微信聊天记录等隐私数据被恶意程序读取。

4.3 进程通信方式- 共享存储 – 原理

• 核心思想: 通过操作系统创建可被多个进程共同访问的共享存储区实现通信。
• 实现步骤:
  • 进程使用shm_open系统调用申请共享内存区
  • 各进程通过mmap将共享区映射到自身虚拟地址空间
  • 通过增加页表项/段表项建立映射关系（第三章详细说明）
• 同步要求: 需保证各进程对共享区的互斥访问，可通过PV操作等同步机制实现。

共享存储分类：基于数据结构的共享、基于存储区的共享

1、基于存储区的共享

特点:

• 操作系统划定固定大小区域（如4KB）

• 进程自由决定数据存储位置和方式

优势: 灵活性高，传输速度快，属于高级通信方式

应用: Linux系统中通过shm_open和mmap系统调用实现

2、基于数据结构的共享

特点:

• 操作系统限定共享区域的数据结构（如长度固定的数组）

• 进程必须按预定格式读写数据

限制: 灵活性差，传输速度慢，属于低级通信方式

示例: 共享全局变量，但只能按int a[3]这样的固定结构访问

4.4 进程通信方式 – 消息传递

1、基本单位: 以格式化的消息(Message)为单位进行数据交换

2、组成结构：

• 消息头: 包含发送/接收进程ID、消息长度等格式化的信息

• 消息体: 实际传输的数据内容

3、通过操作系统提供的”发送消息/接收消息” 两个原语完成通信

4、分类：直接通信方式\间接（信箱）通信方式

消息传递（直接通信方式）

• 实现机制:
  • 发送进程需明确指定接收进程的PID，如send(Q,msg)
  • 操作系统内核维护各进程的消息队列(存储在PCB中)
  • 发送原语将消息从用户空间复制到内核空间，并挂到目标进程的消息队列
  • 接收原语从内核空间将消息复制回用户空间,如receive(P，&msg)
• 特点:
  • 点对点通信，需要”指名道姓”
  • 消息传递路径：发送进程→内核→接收进程

消息传递（间接通信方式、信箱通信方式）

• 中间实体: 通过”信箱”(mailbox)作为消息传递的中介
• 工作流程:
  • 进程通过系统调用申请信箱(如信箱a、信箱b)
  • 发送进程指明目标信箱而非接收进程ID
  • 接收进程从指定信箱获取消息
• 特点:
  • 又称信箱通信方式
  • 可以多个进程往同一个信箱send消息，也可以多个进程从同一个信箱中receive消息
  • 解耦发送和接收进程的直接依赖关系

4.5 进程通信方式 – 管道通信

先说一下管道通信方式和共享存储方式的区别

管道：严格先进先出，读写位置固定

共享存储：随机访问，无顺序限制

管道通信原理（类似水管）

• 本质: 特殊的共享文件(pipe文件)，实际是内存中的固定大小缓冲区
• 数据结构: 实现为循环队列，遵循先进先出原则
• 读写规则:
  • 写满时写进程阻塞，读空时读进程阻塞
  • 写进程可随时写入(只要管道未满)
  • 读进程可随时读取(只要管道未空)
• 通信特性:
  • 半双工通信，数据流向单向
  • 实现双向通信需建立两个管道
  • 操作系统保证访问互斥，例如P、V操作

这里对第五点做决定：考试写第一种方式：一个管道允许多个写进程，一个读进程的方式

4.6 课本勘误

1、写进程往管道写数据，即便管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据

2、读进程从管道读数据，即便管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据

4.7 知识总结

五、线程概念多线程模型

5.1 什么是线程，为什么要引入线程？

并发需求：传统进程只能串行执行程序代码，无法满足像QQ同时进行视频聊天、文字聊天和文件传输等多任务需求。

传统进程中进程是程序执行流的最小单位，导致一个进程内无法实现多任务并发

线程作为”轻量级进程”被引入，使得一个进程内可以创建多个执行流

• 实际应用：QQ的不同功能（如视频、文字、文件传输）可以分配到不同线程并发执行
• 引入线程后，线程成为程序执行流的最小单位，允许更细粒度的并发控制

• 资源分配：
  • 传统：进程是资源分配和调度的基本单位
  • 引入线程后：进程只作为除CPU之外的系统资源分配的基本单位，线程成为基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位，线程也作为处理机的分配单元

• 并发性：
  • 传统：只能实现进程间并发
  • 引入线程后：可实现线程间并发，显著提升系统并发度

5.2 引入线程机制后，有什么变换

• 资源管理：引入线程后，进程仅作为除CPU外系统资源（如打印机、内存地址空间）的分配单元
• 调度单位：CPU直接调度线程而非进程，实现更高效的资源利用

• 并发性：
  • 传统：只能实现进程间并发
  • 引入线程后：可实现线程间并发，显著提升系统并发度

• 系统开销：
  • 传统：进程切换需要完整切换运行环境，开销大（类比图书馆换陌生人用桌子需要搬书）
  • 引入线程后：同进程内线程切换不需切换进程环境，开销小（类比舍友共用桌子不需搬书）

5.3 线程的属性

• 调度单位：线程是处理机调度的基本单位，多核CPU中不同线程可分配到不同核心
• 管理结构：每个线程有唯一线程ID和线程控制块(TCB)，管理线程状态和资源
• 状态转换：与进程类似，线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
• 资源共享：
  • 线程几乎不拥有系统资源，共享所属进程的资源（如I/O设备、内存地址空间）
  • 同进程线程通信可直接通过共享内存实现，无需系统干预
• 切换开销：
  • 同进程内线程切换不会引起进程切换，开销小
  • 跨进程线程切换会引起进程切换，需要切换完整运行环境，开销大
• 执行单元：线程是基本CPU执行单元和程序执行流的最小单位
• 并发优势：不仅进程间可以并发，进程内各线程也可并发，显著提升系统并发度
• 资源分配：进程作为资源容器，线程作为执行单元，实现资源与调度的分离

六、线程的实现方式&多线程模型

6.1 线程的实现方式 – 用户级线程（ULT, User-Level Thread）

• 历史背景：早期操作系统（如Unix）只支持进程不支持线程，线程功能由线程库实现
• 实现原理：应用程序通过线程库管理线程，操作系统只能看到进程
• 代码示例：最简单的线程库模拟 – 通过while循环和if语句实现简单线程调度（如QQ同时处理视频/文字/文件传输）

关于用户级线程的几个问题

1、线程的管理工作由谁来完成?

答：用户级线程由应用程序通过线程库实现，所有的线程管理工作都由应用程序负责(包括线程切换)

2、线程切换是否需要CPU变态?

答：用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预，所以不需要CPU变换状态。

3、操作系统是否能意识到用户级线程的存在?

答：在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程

4、这种线程的实现方式有什么优点和缺点?

答：以下是优点和缺点

优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高缺点：当用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。

6.2 线程的实现方式 – 内核级线程(KLT, kernel-Level Thread)

又叫内核支持线程 – 操作系统支持的线程

• 现代实现：由操作系统直接支持（如Windows/Linux）
• 管理机制：操作系统为每个线程建立TCB（Thread Control Block）

关于内核级线程的几个问题

1、线程的管理工作由谁来完成?

答：内核级线程的管理工作由操作系统完成

2、线程切换是否需要CPU变态?

答：线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

3、操作系统是否能意识到内核级线程的存在?

答：操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB(Thread Control Block，线程控制块)通过TCB对线程进行管理。“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”。

4、这种线程的实现方式有什么优点和缺点?

答：优缺点如下

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行办并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

6.3 多线程模型 – 一对一模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型

6.4 多线程模型 – 多对一模型

多对一这种模型：相当于退化到用户级

操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

6.5 多线程模型 – 多对多模型

多对多模型定义：n用户级线程映射到m个内核级线程(n>=m)每个用户进程对应m个内核级线程。

优点：

1、克服了多对一模型并发度不高的缺点(一个阻塞全体阻塞)

2、又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点

6.6 知识回顾

七、线程的状态与转换

7.1 线程的状态与转换介绍

核心状态：线程状态重点关注运行态、就绪态和阻塞态三种核心状态，其转换机制与进程状态转换完全一致。

状态转换：

运行→就绪：当运行态线程分配的时间片用完时，会下处理机进入就绪态

就绪→运行：就绪态线程被调度程序选中时，会上处理机进入运行态

运行→阻塞：当线程发出等待事件请求（如I/O操作）时，会从运行态转为阻塞态

阻塞→就绪：当阻塞线程等待的事件发生时，会从阻塞态回到就绪态

7.2 线程的组织与控制

线程控制块（TCB）

• 基本组成：
  • 标识符：TID（线程ID），功能类似进程的PID
  • 执行上下文：
    • 程序计数器PC：记录线程当前执行位置
    • 通用寄存器：保存代码运行的中间结果
    • 堆栈指针SP：指向保存函数调用链和局部变量的内存区域
  • 状态信息：明确记录线程当前状态（运行/就绪/阻塞）及阻塞原因
  • 优先级：作为线程调度和资源分配的依据

• 组织方式：
  • 多个TCB可组成线程表，可按进程分类、全局统一或按状态分类管理
  • 具体组织形式由系统需求决定

线程切换时要保存/恢复