第二章进程的描述与控制

2.1 前趋图和程序执行

前趋图（DAG）

有向无循环图（DAG），用于描述进程间的前后关系
节点表示语句/程序段/进程，有向边表示前趋关系

程序顺序执行的特征

顺序性：严格按顺序执行
封闭性：程序独占全部资源，结果不受外界影响
可再现性：输入相同→结果相同

程序并发执行的特征

间断性：执行—暂停—执行
失去封闭性：共享资源，执行环境被外界影响
不可再现性：结果可能因调度顺序不同而不同

2.2 进程的描述

进程的定义

进程是程序的一次执行过程
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（引入线程后，线程成为调度的基本单位）

进程的特征

特征	说明
动态性（最基本）	进程有创建、运行、消亡的生命周期
并发性	多个进程可同时存在于内存中并发执行
独立性	进程是独立运行和获得资源的基本单位
异步性	各进程按各自独立、不可预知的速度推进

进程的状态

三态模型：

        就绪 ——调度——→ 运行
         ↑               ↓
         ← —事件完成—— 阻塞
         ↑               ↓
         ←←←←←←←←←←←←←
                时间片完/被抢占

五态模型：就绪、运行、阻塞 + 创建、终止

七态模型（含挂起）：

活动就绪 ↔ 静止就绪（挂起）
活动阻塞 ↔ 静止阻塞（挂起）

挂起(Suspend)：进程从内存调至外存；激活(Active)：进程从外存调回内存

进程控制块 PCB

PCB是进程存在的唯一标志，包含4类信息：

类别	内容
进程标识符	内部标识符（PID数字标识）、外部标识符（用户使用的名称）
处理机状态	通用寄存器、PC、PSW、用户栈指针
进程调度信息	进程状态、优先级、事件（阻塞原因）、调度其他信息
进程控制信息	程序和数据地址、同步和通信机制、资源清单、链接指针

PCB的组织方式：

线性方式：所有PCB放在一个线性表中
链接方式：按状态链成多个队列（就绪队列、阻塞队列等）
索引方式：建立索引表，表项指向PCB

2.3 进程控制

进程控制通过原语实现（原语在内核态执行，不可中断）。

原语	功能
创建原语	分配PID→分配资源→初始化PCB→插入就绪队列
终止原语	查找PCB→若进程正在运行则终止→终止其子孙进程→归还资源→删除PCB
阻塞原语	将进程从运行态→阻塞态，保存现场，插入等待队列
唤醒原语	从等待队列移出→将进程从阻塞态→就绪态，插入就绪队列
挂起原语	活动就绪→静止就绪，或活动阻塞→静止阻塞
激活原语	静止就绪→活动就绪，或静止阻塞→活动阻塞

⚠️ 阻塞和唤醒必须成对出现！阻塞由进程自己调用（主动），唤醒由其他相关进程调用（被动）。

2.4 进程通信

方式	说明
共享存储器	多个进程通过读/写共享内存区域通信；需同步互斥机制保护
管道(pipe)	半双工，固定大小缓冲区(通常4KB)，FIFO字节流；写满时写进程阻塞,读空时读进程阻塞；连接读写进程的共享文件
消息传递	直接通信：点对点,send(P,msg)/receive(Q,msg)；间接通信：通过邮箱,send(A,msg)/receive(A,msg)
客户机-服务器	socket（套接字,可跨网络）/ RPC（远程过程调用）

2.5 线程

线程的概念

线程是CPU调度的基本单位
进程是资源分配的基本单位
一个进程可包含多个线程，共享进程资源
线程比进程更轻量，切换开销更小

进程 vs 线程

比较项	进程	线程
资源分配	资源分配的基本单位	不拥有系统资源(共享进程资源)
调度	(无线程时)调度的基本单位	调度的基本单位
并发性	进程间可并发	进程内的多线程也可并发
系统开销	进程创建/撤销/切换开销大(需切换页表导致TLB失效/Cache冷)	线程切换开销小(不切换地址空间,TLB/Cache仍有效)
独立性	进程间独立	同一进程内的线程共享地址空间

线程控制块 TCB

包含：线程标识符、寄存器状态（PC、PSW、通用寄存器）、线程运行状态、优先级、栈指针等。

线程的实现方式

方式	优点	缺点
用户级线程ULT	不需内核支持,切换快,进程可专用调度算法,平台无关	一个线程阻塞→整个进程阻塞；不能利用多处理机
内核级线程KST	多处理机上可并行,一线程阻塞不影响其他,内核本身也可多线程	模式切换开销大(用户态→内核态)
组合方式	结合两者优点	实现复杂

多线程模型

模型	说明	缺点
多对一	多个ULT映射到一个KST	一阻塞全阻塞，不能多处理机并行
一对一	每个ULT对应一个KST	创建开销大（如Windows NT）
多对多	多个ULT映射到≤ULT数的KST	结合优点,最灵活

轻量级进程(LWP)

作为ULT与KST之间的中间层
每个LWP连接一个KST
ULT通过LWP间接使用内核服务

2.6 程序运行环境与进程内存映像（2026趋势）

进程内存映像（Memory Image）

典型用户进程地址空间自低地址到高地址可概括为：

text(代码段) → data(已初始化全局/静态区) → bss(未初始化全局/静态区) → heap(堆,向高地址增长) ... stack(栈,向低地址增长)

text段：机器指令与只读常量，通常只读且可共享
data段：已初始化的全局变量和静态变量
bss段：未初始化全局变量和静态变量（装入时清零）
heap堆：由 malloc/new 等动态扩展和回收
stack栈：函数调用现场、局部变量、返回地址

⚠️ 易考辨析：进程共享“代码和只读数据”通常发生在同一程序多进程场景；线程共享进程地址空间，但各线程栈独立。

fork 与 COW（写时复制）

fork() 后父子进程最初共享物理页框（只读映射）
任一方尝试写入时触发保护异常，OS复制该页（Copy-On-Write）
COW的目标：减少无效复制开销，提高创建子进程效率

2.7 信号（Signal）机制（2025新增）

信号的本质

信号是软件层面的异步事件通知机制，用于告知进程“发生了某事件”
信号不是数据传输通道，主要表达“发生了什么”而非“传了什么”

信号处理方式

默认处理（终止/忽略/停止/继续/核心转储）
显式忽略（部分信号可忽略）
自定义处理函数（signal handler）

常见高频信号

SIGKILL(9)：立即终止，不可捕获、不可忽略
SIGTERM(15)：请求终止，可被捕获处理
SIGCHLD：子进程状态变化通知父进程
SIGSEGV：非法内存访问

生命周期与检查时机

流程：产生（generate）→ 未决（pending）→ 递送（deliver）→ 处理（handle）
内核通常在从核心态返回用户态前检查并递送可处理信号

信号 vs 信号量（常考）

对比项	信号（Signal）	信号量（Semaphore）
作用	异步事件通知	同步与互斥
是否计数资源	否	是（value体现资源数/等待数）
典型场景	进程终止、异常通知、子进程回收	生产者-消费者、互斥临界区

⚠️ 一句话区分：Signal解决“事件到了吗”，Semaphore解决“资源够不够/次序对不对”。

🎯 本章真题锚点与最短模板

高频题号（2009-2025）：2011Q25、2014Q26、2017Q27、2019Q23/Q24、2024Q24/Q25/Q28、2025Q22/Q46
优质例题：判断“创建子进程、I/O完成、时间片用完、请求I/O”引起的进程状态转换。
最短解题模板：
1. 建立五态图：就绪、执行、阻塞及方向箭头。
2. 逐事件映射：时间片到期→执行→就绪；I/O请求→执行→阻塞；I/O完成→阻塞→就绪。
3. 涉及线程时先判“共享什么”：地址空间共享，栈/寄存器私有。

⚡ 秒杀版口令卡（10秒回忆）

口令：时间片到=就绪；等I/O=阻塞；I/O完=就绪。
口令：进程管资源，线程管调度。
口令：共享地址空间，私有栈与寄存器。

第二章 进程的描述与控制