操作系統核心概念：進程、線程與進程間通信（IPC）系統性總結

第 2 章 進程管理

2.1 進程基礎

程序 vs 進程

形象比喻：程序 = 菜譜，進程 = 烹饪過程，數據 = 食材。

進程狀態模型

• 三態：運行、就緒、阻塞
• 五態：+ 創建、終止
• 七態：+ 掛起就緒、掛起阻塞（引入虛存/換出機制）

PCB（進程控制塊）

• OS 感知進程存在的唯一標識，一進程一 PCB
• 組織方式：線性表、鏈表、索引表
• 包含：進程標識、狀態、優先級、程序計數器、內存指針、上下文、I/O 狀態、會計信息等

進程映像（實體）四大組成

1. 程序段（代碼）
2. 數據段
3. 系統/用戶棧
4. PCB

2.2 線程：輕量級進程

引入動機

進程切換開銷大（上下文切換、地址空間切換），線程共享進程資源，僅保留私有棧/寄存器/TCB，切換極快。

進程 vs 線程 關鍵差異

線程實現級別

• 用戶級 (ULT)：線程管理庫在用戶態實現，切換快；但一線程阻塞（如系統調用）導致整進程阻塞。
• 內核級 (KLT)：內核調度線程，一線程阻塞不影響同進程其他線程；切換需陷入內核，稍慢。
• 混合模式：N:M 映射，綜合兩者優點（如 Go 語言 Goroutine、Java 虛擬機線程模型）。

TCB（線程控制塊）

包含：線程 ID、狀態/優先級、寄存器上下文、私有棧指針、指向所屬 PCB 的指針。TCB ≪ PCB。

2.3 進程間通信（IPC）與同步互斥

核心問題

• 互斥：臨界區同一時刻僅允許一進程訪問共享資源
• 同步：多進程按協調順序推進（如生產者-消費者）

互斥實現手段演進

1. 關中斷（僅適用單核內核，不靈活）
2. 鎖變量（忙等待，浪費 CPU）
3. 嚴格輪換 / Peterson 算法（軟件邏輯複雜）
4. 硬件原子指令：TSL (Test-and-Set-Lock)、XCHG (Exchange)、CAS (Compare-and-Swap)

信號量 + P/V 原語：經典同步互斥工具

// 互斥信號量 mutex 初值 = 1 (資源數)
P(mutex);  // 申請資源，若不可用則阻塞
// 臨界區
V(mutex);  // 釋放資源，喚醒等待隊列

// 同步信號量 sync 初值 = 0
// 進程 A: 生產數據 -> V(sync)
// 進程 B: P(sync) -> 消費數據

關鍵規則：互斥 P/V 成對同進程，同步 P/V 成對跨進程且初值通常為 0。

管程：高級同步抽象

將共享數據及操作封裝為模塊，編譯器/運行時保證互斥入口，提供 wait/signal 條件變量，簡化應用層同步編程（Java synchronized、C# lock、Python threading.Condition 均為管程思想實現）。

三級調度

• 高級（長程）：作業調入內存（批處理）
• 中級（中程）：換入/換出（掛起/激活）
• 低級（短程）：就緒隊列選進程佔用 CPU

經典調度算法

本文轉載自 “李海川” 博客，原文地址：https://lihaichuan.blog.51cto.com/498079/1304092