第2章：进程管理
进程是操作系统中最基本、最重要的概念。本章系统介绍进程的概念、状态转换、进程控制、线程以及进程同步与通信机制。
2.1 进程的引入
2.1.1 程序的顺序执行与并发执行
| 特征 |
顺序执行 |
并发执行 |
| 封闭性 |
程序独占资源，运行结果仅由初始条件决定 |
失去封闭性，结果可能受其他程序影响 |
| 可再现性 |
相同输入总是得到相同输出 |
失去可再现性（非确定性） |
| 与时间关系 |
无关 |
执行速度由进程调度决定 |
前趋图 — 程序的执行依赖关系：程序I1↗ ↖I2 I3↗ ↖ ↗ ↖I4 I5 I6 I7↖ ↗ ↖ ↗I8 I9
前趋图（Precedence Graph）是一个有向无环图（DAG），用于描述程序段之间的执行顺序。
2.1.2 进程的定义与特征
| 定义角度 |
描述 |
| 行为 |
程序在一个数据集合上的运行过程 |
| 系统 |
系统进行资源分配和调度的独立单位 |
| 结构 |
由程序段、数据段和PCB三部分组成 |
| 特征 |
说明 |
| 动态性 |
进程是执行中的程序，有生命周期（区别于程序） |
| 并发性 |
多个进程可同时在内存中并发执行 |
| 独立性 |
进程是独立运行和申请资源的基本单位 |
| 异步性 |
进程按各自不可预知的速度推进 |
| 结构性 |
每个进程配置一个PCB（进程控制块） |
⚠️ 进程 vs 程序：
- 进程是动态的（执行过程），程序是静态的（指令集合）
- 进程有生命周期，程序可永久保存
- 一个程序可对应多个进程，一个进程可执行多个程序
2.2 进程控制块（PCB）⭐
2.2.1 PCB的作用
PCB（Process Control Block） 是操作系统感知进程存在的唯一标志。系统通过PCB来管理和控制进程。
2.2.2 PCB中的主要信息
┌─────────────────────┐│ PCB │├─────────────────────┤│ 进程标识符（PID） │├─────────────────────┤│ 处理机状态（PSW/寄存器）│ ← 保护与恢复现场├─────────────────────┤│ 进程调度信息 ││ (状态/优先级/时间片) │├─────────────────────┤│ 进程控制信息 ││ (程序入口/数据地址) │├─────────────────────┤│ 链接指针 │ ← 将PCB链接成队列├─────────────────────┤│ 资源清单/已打开文件 │└─────────────────────┘
| 信息类别 |
包含内容 |
| 进程标识符 |
PID（唯一数字标识）、父进程PID、用户标识 |
| 处理机状态 |
通用寄存器、PC、PSW、栈指针 |
| 进程调度信息 |
状态、优先级、已等待时间、调度策略 |
| 进程控制信息 |
程序入口地址、数据地址 |
| 资源清单 |
已打开文件列表、已分配设备等 |
2.2.3 PCB的组织方式
| 组织方式 |
说明 |
图示 |
| 线性表 |
所有PCB连续存储，简单但查找慢 |
[PCB1][PCB2][PCB3]... |
| 链接方式 |
同状态PCB组成队列 |
执行队列→就绪队列→阻塞队列 |
| 索引方式 |
用索引表记录各状态PCB的首地址 |
索引表 → PCB链表 |
链接方式示意图：执行指针 → [PCB_A] → null就绪队列指针 → [PCB_B]→[PCB_C]→[PCB_D]→null阻塞队列指针 → [PCB_E]→[PCB_F]→null
2.3 进程状态与转换 ⭐⭐⭐
2.3.1 三种基本状态
┌────────────────────┐│ 创建态 │└────────┬───────────┘│ ① 创建完成▼┌──────────────────────────────┐时间片用完 │ 就绪态 │┌──────────│ (Ready) ││ └──────┬───────────────────────┘│ │ ② 被调度选中▼ ▼
┌────────────────────────────┐
│ 执行态 │
│ (Running) │───→ 终止
└──┬─────────────────────────┘│ ③ 等待某事件发生（I/O）▼
┌────────────────────────────┐
│ 阻塞态 │
│ (Blocked) │
└────────────┬───────────────┘│ ④ 等待的事件发生（I/O完成）└────────→ 就绪态
| 状态转换 |
触发条件 |
| ① 创建 → 就绪 |
进程创建完毕，等待调度 |
| ② 就绪 → 执行 |
进程调度程序选中该进程 |
| ③ 执行 → 阻塞 |
进程等待某事件（如I/O操作） |
| ④ 阻塞 → 就绪 |
等待的事件发生（如I/O完成） |
| ⑤ 执行 → 就绪 |
时间片用完、被高优先级进程抢占 |
| ⑥ 执行 → 终止 |
进程正常执行完毕或被强制终止 |
2.3.2 七状态模型（含挂起）
┌──────────┐│ 创建态 │└────┬─────┘▼┌─────────┐ 激活 ┌──────────┐│ 静止就绪 │←───────│ 活动就绪 ││ (挂起) │────────→│ │└─────────┘ 挂起 └────┬─────┘▼┌──────────┐激活 │ 执行态 │┌─────────┐←───────│ │─────→ 终止│ 静止阻塞 │ 挂起 └──┬───────┘│ (挂起) │────────→ │└─────────┘ ▼激活 ┌──────────┐←──────────│ 活动阻塞 │└──────────┘
挂起（Suspend）：将进程调出内存，放到外存（磁盘）上。目的：平衡系统负载，为紧急进程腾出内存。
2.4 进程控制
2.4.1 原语（Primitive）
原语是由若干指令构成的原子操作，执行期间不允许被中断。通过关中断实现。
| 原语 |
功能 |
| 创建原语 |
分配PID、PCB、资源，初始化后插入就绪队列 |
| 撤销原语 |
回收进程资源，移除PCB |
| 阻塞原语 |
将执行态进程转为阻塞态，插入阻塞队列 |
| 唤醒原语 |
将阻塞队列中某进程移入就绪队列 |
| 挂起原语 |
将进程调出内存（挂起） |
| 激活原语 |
将挂起的进程重新调入内存（激活） |
2.4.2 fork() 与 exec()
| 函数 |
功能 |
关键特征 |
fork() |
创建子进程（父进程的副本） |
返回两次：父进程得到子PID，子进程得到0 |
exec() |
替换进程映像 |
调用后不返回（除非出错） |
2.5 线程 ⭐⭐
2.5.1 线程的引入
为什么需要线程？
- 进程切换开销大（需切换内存映射、PCB等）
- 应用需要"轻量级"的并发执行单位
- 多处理器环境下需要真正并行
线程是CPU调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位。
| 对比项 |
进程 |
线程 |
| 调度单位 |
独立调度（传统OS） |
CPU调度的基本单位 |
| 资源拥有 |
拥有资源的基本单位 |
几乎不拥有资源 |
| 并发性 |
进程间可并发 |
同一进程内多线程可并发 |
| 系统开销 |
切换开销大 |
切换开销小（不切换地址空间） |
| 独立性 |
相互独立 |
同一进程内线程共享地址空间 |
| 通信 |
需IPC机制 |
直接通过共享变量 |
2.5.2 线程的实现方式
用户级线程（ULT）： 内核级线程（KLT）：┌──────────────────┐ ┌──────────────────┐
│ 线程库(用户态) │ │ 进程 │
│ ┌────┐┌────┐┌────┐│ │ ┌────┐┌────┐┌────┐│
│ │T1 ││T2 ││T3 ││ │ │T1 ││T2 ││T3 ││
│ └──┬─┘└──┬─┘└──┬─┘│ │ └──┬─┘└──┬─┘└──┬─┘│
│ └─────┼─────┘ │ │ └─────┼─────┘ │
└──────────┼────────┘ └──────────┼────────┘│ │┌──────┴──────┐ ┌──────────┴──────────┐│ 进程 (内核可见)│ │ 内核 ││ =1个进程 │ │ T1 T2 T3 │└─────────────┘ │ 每个线程都对内核可见 │└─────────────────────┘
| 对比项 |
用户级线程（ULT） |
内核级线程（KLT） |
| 线程管理 |
线程库（用户态） |
内核 |
| 内核感知 |
不感知，认为是单线程进程 |
完全感知每个线程 |
| 切换开销 |
极小（无模式切换） |
较大（需系统调用） |
| 阻塞问题 |
一个线程阻塞，整个进程阻塞 |
一个线程阻塞，不影响其他线程 |
| 多处理器 |
无法利用多处理器 |
可以真正并行 |
| 代表系统 |
POSIX Pthreads(U模式) |
Windows、Linux |
2.5.3 多线程模型
| 模型 |
说明 |
图示 |
| 多对一 |
多个ULT映射到1个KLT |
ULT₁ ULT₂ ULT₃ → KLT₁ |
| 一对一 |
每个ULT映射到1个KLT |
ULT₁→KLT₁, ULT₂→KLT₂ |
| 多对多 |
多个ULT映射到多个KLT |
ULT₁ ULT₂ ULT₃ → KLT₁ KLT₂ |
2.6 进程同步 ⭐⭐⭐
2.6.1 临界资源与临界区
临界资源（Critical Resource）：一次仅允许一个进程访问的共享资源。
临界区（Critical Section）：访问临界资源的代码段。
临界区访问需遵循的四个原则：while (true) {entry section; // ① 进入区：检查是否可以进入critical section;// ② 临界区：访问临界资源exit section; // ③ 退出区：释放临界资源remainder section;// ④ 剩余区：其余代码
}
临界区的四点要求：
| 要求 |
含义 |
| 空闲让进 |
临界资源空闲时，允许请求的进程立即进入 |
| 忙则等待 |
临界资源被占用时，其他进程必须等待 |
| 有限等待 |
进程等待时间有限，不会无限期等待 |
| 让权等待 |
不能进入临界区时，应立即释放CPU（阻塞而非忙等） |
2.6.2 同步机制应遵循的原则
| 原则 |
说明 |
| 互斥（Mutual Exclusion） |
同一时间只有一个进程在临界区 |
| 前进（Progress） |
临界区空闲时，能快速选出下一个进入者 |
| 有限等待（Bounded Waiting） |
进程请求进入后，等待次数有上限 |
2.6.3 软件实现方法
| 方法 |
思想 |
缺陷 |
| 单标志法 |
用一个turn变量轮流进入 |
必须轮流，违反"空闲让进" |
| 双标志法（先检查） |
用flag[i]表示想进入 |
可能同时进临界区（检查与修改不原子） |
| 双标志法（后检查） |
先设flag再检查对方 |
可能形成"互相谦让"导致饥饿 |
| Peterson算法 |
turn+flag组合 |
仅适用于两个进程 |
2.6.4 硬件实现方法
| 方法 |
说明 |
优点 |
缺点 |
| 关中断 |
临界区执行时关中断 |
简单 |
仅单CPU、影响系统 |
| Test-and-Set指令 |
原子地测试并设置lock |
多CPU可用 |
忙等待、未满足让权等待 |
| Swap指令 |
原子交换lock和key |
多CPU可用 |
忙等待 |
2.7 信号量机制 ⭐⭐⭐
2.7.1 整型信号量
int S; // 整型信号量
wait(S): while (S <= 0); // 忙等S--;
signal(S): S++;
问题：wait操作中的while循环会导致忙等待，未满足"让权等待"。
2.7.2 记录型信号量 ⭐
typedef struct {int value; // 资源数量queue process_list; // 等待该信号量的进程队列
} semaphore;void wait(semaphore S) {S.value--;if (S.value < 0) {block(S.process_list); // 阻塞自己，释放CPU}
}void signal(semaphore S) {S.value++;if (S.value <= 0) {wakeup(S.process_list); // 唤醒一个等待进程}
}
| S.value 的含义 |
解释 |
S.value > 0 |
还有 |
S.value = 0 |
资源刚好用完，无等待进程 |
S.value < 0 |
有 |
2.7.3 AND型信号量
将进程需要的所有资源一次性全部分配给进程，要么全给，要么一个都不给。避免死锁。
2.7.4 信号量的应用
利用信号量实现互斥
semaphore mutex = 1; // 互斥信号量，初值为1// 进程 Pi
wait(mutex);临界区
signal(mutex);
利用信号量实现前趋关系
S1 ──→ S2 的实现：semaphore S = 0; // 初值为0S1: S2:... wait(S);signal(S); ...
2.7.5 经典同步问题 ⭐⭐⭐
(1) 生产者—消费者问题
semaphore mutex = 1; // 互斥访问缓冲区
semaphore empty = N; // 空缓冲区数量
semaphore full = 0; // 满缓冲区数量// 生产者
Producer() {while (true) {produce an item;wait(empty); // ⚠️ 先申请资源，再申请互斥wait(mutex);put item into buffer;signal(mutex);signal(full);}
}// 消费者
Consumer() {while (true) {wait(full); // ⚠️ 先申请资源，再申请互斥wait(mutex);take item from buffer;signal(mutex);signal(empty);consume the item;}
}
⚠️ 关键：多个wait操作顺序不能颠倒，必须先资源信号量，后互斥信号量，否则可能死锁。
(2) 读者—写者问题
// 读者优先版本
int readcount = 0;
semaphore rmutex = 1; // 保护 readcount
semaphore wmutex = 1; // 写者互斥// 读者
Reader() {wait(rmutex);if (readcount == 0) wait(wmutex); // 第一个读者锁定写者readcount++;signal(rmutex);执行读操作wait(rmutex);readcount--;if (readcount == 0) signal(wmutex); // 最后一个读者释放写者signal(rmutex);
}// 写者
Writer() {wait(wmutex);执行写操作signal(wmutex);
}
读者优先 vs 写者优先 vs 公平竞争：经典的三种策略，读者优先可能导致写者饥饿。
(3) 哲学家进餐问题
防止死锁的方法：
- 最多允许4个哲学家同时拿筷子
- 奇数号先拿左，偶数号先拿右
- 只有两支筷子都可用时才允许拿（AND型信号量）
(4) 理发师问题
核心：用信号量协调理发师（服务者）和顾客（消费者）之间的同步。
2.8 管程（Monitor）⭐
2.8.1 管程的定义
管程是由一组公共变量和对这些变量的操作组成的软件模块，它提供了互斥访问和同步控制的统一机制。
管程结构：┌─────────────────────────────┐
│ 管程 Monitor │
│ │
│ 共享变量声明（private） │
│ ┌───────────────────┐ │
│ │ 入口过程1 │ │ ← 一次只允许一个
│ │ 入口过程2 │ │ 进程进入管程
│ │ ... │ │
│ └───────────────────┘ │
│ │
│ 条件变量: condition x, y │
│ x.wait() / x.signal() │
└─────────────────────────────┘
2.8.2 条件变量与同步
| 操作 |
功能 |
x.wait() |
当前进程阻塞在条件变量x上，并释放管程 |
x.signal() |
唤醒一个阻塞在x上的进程 |
⚠️ signal vs wait：管程的signal/wait与信号量的signal/wait不同！管程中signal若无等待进程则无效（无累积效应）。
2.8.3 信号量与管程的对比
| 对比项 |
信号量 |
管程 |
| 实现位置 |
分散在各进程代码中 |
集中在管程模块中 |
| 互斥 |
程序员显式调用wait/signal |
编译器自动实现 |
| 安全性 |
容易出错（顺序、遗漏） |
更安全，结构化好 |
| 代表语言 |
C（POSIX信号量） |
Java（synchronized）、Pascal+ |
2.9 进程通信（IPC）⭐
2.9.1 通信类型
| 类型 |
说明 |
实现方式 |
| 共享存储 |
进程共享一块内存空间 |
共享数据结构/共享存储区 |
| 消息传递 |
以格式化的消息进行通信 |
直接/间接通信 |
| 管道通信 |
连接读写进程的共享文件 |
无名管道/命名管道(FIFO) |
| Client-Server |
通过网络通信 |
Socket、RPC |
2.9.2 消息传递方式
直接通信：进程P ──send(Q, msg)──→ 进程Q进程Q ──receive(P, msg)──→ 进程P间接通信（信箱）：进程P ──send(A, msg)──→ [信箱A] ──receive(A, msg)──→ 进程Q
| 对比项 |
直接通信 |
间接通信（信箱） |
| 对称性 |
收发双方显式指定对方 |
通过信箱中转 |
| 链路 |
进程间自动建立 |
共享信箱时才建立连接 |
| 灵活性 |
耦合度高 |
耦合度低，更灵活 |
2.9.3 同步方式
| 通信方式 |
说明 |
| 阻塞send + 阻塞receive |
发送方和接收方都阻塞（最可靠，紧密同步） |
| 非阻塞send + 阻塞receive |
发送方继续运行，接收方阻塞等待 |
| 非阻塞send + 非阻塞receive |
双方都不阻塞 |
2.10 内核同步机制（拓展）
| 机制 |
说明 |
应用场景 |
| 原子操作 |
不可中断的硬件指令 |
简单计数、标志位 |
| 自旋锁 |
忙等待的锁 |
短临界区、中断上下文 |
| 互斥锁 |
阻塞等待的锁 |
长临界区、进程上下文 |
| RCU |
读-复制-更新 |
读多写少的场景（Linux内核） |
| 读写锁 |
读共享，写互斥 |
读多写少的场景 |
| 完成变量 |
等待某事件完成的同步 |
子系统初始化等 |
⭐ 本章小结
| 知识点 |
核心内容 |
| 进程概念 |
程序+数据+PCB，动态、并发、独立 |
| PCB |
操作系统感知进程存在的唯一标志 |
| 三态模型 |
就绪→执行→阻塞（及挂起七态模型） |
| 线程 |
CPU调度基本单位，进程是资源拥有单位 |
| 临界区 |
空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待 |
| 信号量 |
记录型信号量（无忙等），可用于互斥和同步 |
| 经典问题 |
生产者-消费者、读者-写者、哲学家进餐 |
| 管程 |
封装互斥和同步的高级语言机制 |
| 进程通信 |
共享存储、消息传递、管道、Socket |
📖 参考资料
| 教材 |
作者 |
相关章节 |
| 《计算机操作系统》（第4版） |
汤小丹 |
第2章 进程管理 |
| 《现代操作系统》 |
Tanenbaum |
第2章 进程与线程 |
| 《UNIX环境高级编程》 |
Stevens |
进程控制、进程关系 |
