2.2 进程管理
操作系统进程管理核心知识点整理
一、进程的组成
进程实体由三部分组成：
- PCB（Process Control Block）：操作系统感知进程存在的唯一标识，记录了进程的标识信息、处理机状态、调度信息、控制信息（如资源清单、记账信息等）。
- 程序段：描述进程要完成的功能，即"做什么"。
- 数据段：程序执行时所需的工作数据。
三者关系可概括为：PCB 是进程存在的标志，程序段定义了行为，数据段承载了状态。
二、进程状态模型
进程状态采用五态模型（在三态模型基础上扩展新建态和终止态）：
┌─────────────────────────────────────┐
│ │
▼ │
┌──────────┐ 时间片到/ ┌──────────┐ │
新建 ──→ │ 就绪 │ ◄──被抢占──── │ 运行 │──┘
(New) │ (Ready) │ ────────────► │(Running) │
└──────────┘ 高优先级到来 └──────────┘
▲ │
│ │ 请求资源/等待事件
│ ▼
│ ┌──────────┐
│ │ 阻塞 │
│ │(Blocked) │
│ └──────────┘
│ │
│ 资源到位/事件发生│
└──────────────────┘
│
▼
┌──────────┐
│ 终止 │
│(Terminated)│
└──────────┘
各状态说明：
| 状态 | 含义 |
|---|---|
| 新建（New） | 进程刚被创建，尚未被提交到就绪队列，系统正在为其分配资源 |
| 就绪（Ready） | 已具备运行条件，等待 CPU 分配 |
| 运行（Running） | 正在 CPU 上执行 |
| 阻塞（Blocked） | 因等待某事件（如 I/O 完成、资源可用）而暂停执行 |
| 终止（Terminated） | 执行结束，等待操作系统回收资源、进行善后处理 |
关键转换路径：
- 就绪 → 运行：被调度程序选中，获得 CPU
- 运行 → 就绪：时间片用完，或被更高优先级进程抢占
- 运行 → 阻塞：主动请求资源或等待事件（如 I/O）
- 阻塞 → 就绪：等待的事件已发生，资源已到位
- 运行 → 终止：进程执行完毕
三、前趋图
前趋图（Precedence Graph）是一个有向无环图（DAG），用来表示任务间的并行关系和先后顺序关系。节点表示任务，有向边表示任务间的执行先后约束。
┌───┐
│ A │──┐
└───┘ │
│
┌───┐ │ ┌───┐ ┌───┐
│ B │──┼──►│ D │──────►│ E │
└───┘ │ └───┘ └───┘
│
┌───┐ │
│ C │──┘
└───┘
从图中可以读出以下信息：
- A、B、C 可以并行执行：三者之间没有有向边连接，不存在先后约束。
- A、B、C 必须全部完成后才能执行 D：A→D、B→D、C→D 三条有向边构成了汇聚关系。
- D 完成后才能执行 E：D→E 表示严格的先后依赖。
前趋图的核心价值在于：可视化地表达任务间的并行性与串行性约束，是分析进程调度、同步机制的重要工具。
四、进程资源图
进程资源图用来表示进程和资源之间的分配和请求关系。图中资源节点在上方，进程节点在下方，请求边由进程指向资源，分配边由资源指向进程。
┌──────────┐ ┌──────────┐
│ │ │ │
│ R1 │ │ R2 │
│ ○ ○ │ │ ○ ○ ○ │
│ │ │ │
└──┬────┬──┘ └──┬───┬──┘
│ │ │ │
分配 │ │ 分配 分配 │ │ 请求
│ │ │ │
▼ ▼ ▼ │
┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ │
│P1│ │P3│ │P2│ │
└┬─┘ └┬─┘ └┬─┘ │
│ │ │ │
│ │ │ │
请求 ──────┘ └──── 请求 ────┘ │
│
└──────── 请求 ───────────┘
图例说明：
| 符号 | 含义 |
|---|---|
| R1（2个○） | 资源R1共有2个实例 |
| R2（3个○） | 资源R2共有3个实例 |
| R1 → P1, P3 | R1的2个实例分别分配给了P1和P3 |
| R2 → P2 | R2的1个实例分配给了P2（还剩2个空闲） |
| P1 → R2 | P1正在请求R2 |
| P2 → R1 | P2正在请求R1 |
| P3 → R2 | P3正在请求R2 |
阻塞节点与非阻塞节点的判定：
- P1（非阻塞）：P1请求R2，R2共3个实例，已分配1个给P2，还剩2个空闲，可以满足P1的请求。
- P2（阻塞）：P2请求R1，R1共2个实例，已全部分配给P1和P3，无空闲实例，P2的请求无法满足，被阻塞。
- P3（非阻塞）：P3请求R2，R2还剩2个空闲实例，可以满足P3的请求。
死锁判定： 当进程资源图中所有进程都是阻塞节点，且存在环路时，系统陷入死锁状态。本例中P1和P3均为非阻塞节点，因此系统未发生死锁。
进程资源图的化简方法（正确性判定）：
- 统计系统中各资源的剩余空闲实例数。
- 找到一个非阻塞进程（其请求可被满足），将其所有边去除（变为孤立点）。
- 回收该进程占有的所有资源，增加系统空闲资源数。
- 重复步骤 2-3，直到所有进程都变成孤立点（系统安全），或剩余进程全部阻塞且无法化简（系统不安全/死锁）。
本例化简过程：
- 初始状态：R1空闲0个，R2空闲2个。
- P1是非阻塞节点（R2有空闲），化简P1：去除P1的所有边，回收P1占有的R1 → R1空闲变为1个。
- P2变为非阻塞节点（R1有1个空闲），化简P2：去除P2的所有边，回收P2占有的R2 → R2空闲变为3个。
- P3是非阻塞节点（R2有空闲），化简P3：去除P3的所有边，回收P3占有的R1 → R1空闲变为2个。
- 所有进程均被化简为孤立点 → 系统安全，未发生死锁。
五、互斥与同步
互斥和同步并非反义词，两者是并发控制的两种不同协调方式，不是对立面。
互斥（Mutual Exclusion）： 多个进程对共享资源的排他性访问，同一时刻只允许一个进程使用临界资源，需要通过加锁/解锁来实现。
同步（Synchronization）： 多个进程之间存在执行次序上的依赖关系，需要通过协调机制保证它们按照约定的顺序执行。例如：进程 A 生产数据，进程 B 消费数据，B 必须等 A 完成生产后才能消费——这就是同步。
互斥与同步的核心区别：
| 维度 | 互斥 | 同步 |
|---|---|---|
| 解决的问题 | 谁能访问共享资源（排他性） | 进程间的执行顺序（先后依赖） |
| 制约类型 | 间接制约（因竞争资源） | 直接制约（因协作任务） |
| 典型场景 | 多个进程争用打印机 | 生产者先生产，消费者后消费 |
| 本质 | 控制"能不能访问" | 控制"什么时候执行" |
互斥可以看作同步的一种特殊情况——它本质上也是对访问顺序的协调（强制串行化），但同步的外延远大于互斥。
六、信号量机制
6.1 基本概念
- 临界资源（Critical Resource）：一次仅允许一个进程使用的共享资源，如打印机、共享变量等。
- 临界区（Critical Section）：每个进程中访问临界资源的那段代码。
- 信号量（Semaphore）：由 Dijkstra 提出的整型计数器，配合 P/V 两个原子操作实现进程同步与互斥。
6.2 两类信号量
| 信号量类型 | 初值 | 用途 |
|---|---|---|
| 互斥信号量 | 1 | 保护临界区，确保同一时刻仅一个进程进入 |
| 同步信号量 | 0 或资源可用数量（视场景而定） | 协调进程间执行顺序或控制资源配额 |
互斥信号量初值为 1 的原因：
- 初值为 1 表示"资源可用，允许一个进程进入"。
- 第一个进程执行 P 操作后，信号量变为 0，表示"资源已被占用"。
- 后续进程再执行 P 操作，信号量变为 -1，进程被阻塞等待。
同步信号量的初值需根据具体场景确定：
- 用于前驱关系同步时，初值通常为 0（等待事件尚未发生）。
- 用于资源计数时，初值为可用资源的数量（如缓冲区大小）。
6.3 P/V 操作原理
P 操作是主动的带有判断性质的 -1，V 操作是被动地因为某些操作产生的 +1。
P(S) 操作（申请资源）：
S = S - 1
if S < 0:
将当前进程阻塞，插入 S 的等待队列
else:
进程继续执行
V(S) 操作（释放资源）：
S = S + 1
if S <= 0:
从 S 的等待队列中唤醒一个进程
else:
进程继续执行
生产者-消费者问题中的 PV 操作示例：
信号量定义：
S0 (mutex) = 1 -- 互斥信号量，保护仓库的互斥访问
S1 (empty) = N -- 同步信号量，表示仓库空闲位数（N为仓库容量）
S2 (full) = 0 -- 同步信号量，表示仓库中已有的商品数
生产者进程：
P(S0) -- 申请仓库的互斥使用权
P(S1) -- 判断仓库是否有空位（S1>0则有空位）
将商品放入仓库
V(S2) -- 商品数+1（通知消费者有商品可取）
V(S0) -- 释放仓库互斥使用权
消费者进程：
P(S0) -- 申请仓库的互斥使用权
P(S2) -- 判断仓库是否有商品（S2>0则有商品）
从仓库取出商品
V(S1) -- 空位数+1（通知生产者有空位可放）
V(S0) -- 释放仓库互斥使用权
注意： 上述示例中 P 操作的顺序（先互斥后同步）在某些情况下可能导致死锁。实际工程中应遵循"先同步后互斥"的原则，即先执行 P(S1)/P(S2)，再执行 P(S0)，以避免死锁。
七、进程调度方式与调度算法
7.1 调度方式
分为可剥夺（抢占式）和不可剥夺（非抢占式）两种：
- 可剥夺（Preemptive）：当更高优先级进程到来时，系统强行收回当前进程的 CPU，分配给高优先级进程。
- 不可剥夺（Non-preemptive）：即使有更高优先级进程到来，也必须等待当前进程主动释放 CPU（如运行完毕或主动阻塞）。
7.2 三级调度
| 调度级别 | 别名 | 功能 | 频率 |
|---|---|---|---|
| 高级调度 | 长调度、作业调度、接纳调度 | 决定后备队列中哪个作业调入内存成为就绪进程 | 最低 |
| 中级调度 | 中程调度、对换调度 | 决定交换区中哪个进程调入内存参与 CPU 竞争 | 中等 |
| 低级调度 | 短程调度、进程调度 | 决定内存中哪个就绪进程获得 CPU | 最高、最频繁 |
低级调度是操作系统中最活跃、最重要的调度程序，对系统性能影响最大。
7.3 调度算法
| 算法 | 核心思想 | 适用场景 | 优缺点 |
|---|---|---|---|
| FCFS | 先来先服务 | 宏观调度/批处理 | 简单公平，但有"护航效应"（短作业被长作业阻塞） |
| 时间片轮转（RR） | 每个进程分配固定时间片，轮流执行 | 分时系统/微观调度 | 公平、响应快；时间片太小则切换开销大，太大则退化为 FCFS |
| 优先级调度 | 优先级高的进程优先获得 CPU | 实时系统 | 可区分任务重要性；但低优先级进程可能"饥饿" |
| 多级反馈队列 | 多个优先级队列 + 不同时间片 + 动态降级 | 通用操作系统 | 兼顾短作业快速完成和长作业逐步获得更长 CPU 时间 |
多级反馈队列的工作流程：
- 设置多个就绪队列 Q1、Q2、...、Qn，优先级依次递减。
- 每个队列分配不同的时间片长度（Q1 最短，Qn 最长）。
- 新进程进入 Q1 末尾，按 FCFS 排队执行。
- 若在 Q1 的时间片内未完成，则降级到 Q2 末尾。
- 以此类推，逐层降级。
这种设计使得短作业能在高层快速完成，长作业在低层获得较长的连续执行时间，是一种兼顾响应时间和吞吐量的优秀调度策略。
八、死锁问题
8.1 死锁定义
当一个进程在等待永远不可能发生的事件时，就会产生死锁。若系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成系统死锁。
8.2 死锁产生的四个必要条件
| 条件 | 标准名称 | 含义 |
|---|---|---|
| 1 | 互斥条件 | 资源一次只能被一个进程使用 |
| 2 | 请求与保持条件 | 进程已持有至少一个资源，又请求新资源，且不释放已占资源 |
| 3 | 不可剥夺条件 | 资源一旦分配，不能被强制收回 |
| 4 | 循环等待条件 | 存在进程-资源的环形等待链（P1 等 P2 的资源，P2 等 P3 的，...，Pn 等 P1 的） |
四个条件必须同时满足才会产生死锁，只要破坏其中任意一个即可避免死锁。
8.3 死锁处理策略
死锁处理策略
├── 死锁预防：破坏四个必要条件之一，确保死锁永远不会发生（保守策略）
├── 死锁避免：运行时动态判断，确保系统始终处于安全状态（银行家算法）
├── 死锁检测：允许死锁发生，但定期检测并发现死锁
└── 死锁解除：检测到死锁后采取措施解除（剥夺资源、撤销进程等）
银行家算法的核心思想： 在每次资源分配前，先模拟分配后的系统状态，判断是否存在一个"安全序列"——即是否存在一种进程执行顺序，使得每个进程都能获得所需资源并顺利完成。若存在安全序列，则分配；否则拒绝。相当于借贷时提前考虑对方还得起才借钱。
8.4 死锁资源计算
系统内有 n 个进程，每个进程都需要 R 个同类资源：
- 发生死锁的最大资源数：n × (R - 1)
- 不发生死锁的最小资源数：n × (R - 1) + 1
推导过程：
- 最坏情况：每个进程都获得了 R-1 个资源，但都在等待最后一个资源，此时所有进程都被阻塞，形成死锁。此时已分配资源总数 = n×(R-1)。
- 避免死锁：只需再多 1 个资源，即 n×(R-1)+1，就能保证至少有一个进程获得全部 R 个资源并完成执行，释放其占有的资源，从而打破死锁。
九、线程
传统进程具有两个基本属性：可拥有资源的独立单位、可独立调度和分配的基本单位。
引入线程的原因：进程在创建、撤销和切换中，系统必须为之付出较大的时空开销，故在系统中设置的进程数目不宜过多，进程切换的频率不宜太高，这就限制了并发程度的提高。引入线程后，将传统进程的两个基本属性分开：
- 线程作为调度和分配的基本单位
- 进程作为独立分配资源的单位
用户可以通过创建线程来完成任务，以减少程序并发执行时付出的时空开销。
线程的核心特征：
| 特征 | 说明 |
|---|---|
| 不拥有资源 | 线程基本上不拥有系统资源，只持有运行必需的少量资源（程序计数器、寄存器组、栈） |
| 共享进程资源 | 同一进程内的线程共享该进程的代码段、数据段、打开的文件、信号量等 |
| 独立调度 | 线程是 CPU 调度和分派的基本单位 |
| 独有资源 | 线程栈指针、线程局部存储（TLS）、线程 ID 等标识数据不共享 |
进程与线程的对比：
| 维度 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 资源拥有 | 拥有独立的地址空间和资源 | 共享所属进程的资源 |
| 调度单位 | 传统 OS 中是调度单位 | 引入线程后成为调度单位 |
| 切换开销 | 大（需切换地址空间） | 小（仅保存/恢复寄存器和栈指针） |
| 通信方式 | 需 IPC 机制（管道、共享内存等） | 直接读写共享内存（需同步机制） |
| 隔离性 | 高（一个崩溃不影响其他） | 低（一个崩溃可能导致整个进程终止） |
浙公网安备 33010602011771号