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第四章：进程与线程

在操作系统中，进程和线程是资源管理和任务执行的基本单位。本章将深入探讨进程和线程的概念，分析它们的生命周期与管理方式，并介绍常见的进程和线程调度策略，以帮助理解多任务操作系统的实现原理。

4.1 进程的概念、生命周期与管理​

4.1.1 进程的概念​

进程（Process） 是正在运行的程序的实例。我们可以把进程想象成一份在工厂里生产的订单。工厂会为每份订单分配机器和资源，独立完成每份订单的任务。类似地，操作系统为每个进程分配资源（如CPU时间和内存），确保多个程序能够“同时”运行。

打开电脑上的“浏览器”和“记事本”时，系统为每个应用创建了一个独立的进程。
这两个进程之间互不干扰，即使浏览器崩溃，记事本仍然能正常运行。

4.1.2 进程的生命周期​

进程的生命周期通常包括以下状态：

  • 新建（New）：就像一份订单刚下达时，进程处于“待生产”状态。
  • 就绪（Ready）：一旦资源到位，进程就进入“就绪”状态，等待生产线（CPU）空闲。
  • 运行（Running）：生产线空闲后，进程会获得资源，开始“加工”。
  • 等待（Waiting/Blocked）：如果进程需要等待原料（比如I/O操作完成），它会暂停生产。
  • 终止（Terminated）：订单完成，进程会释放资源并退出系统。
当打开的浏览器正在下载文件时，它会进入“等待”状态，一旦下载完成，
它就回到“就绪”状态并继续执行其他任务。

4.1.3 进程管理​

操作系统通过 进程控制块（Process Control Block, PCB） 来管理和追踪每个进程的运行情况。PCB可以视作进程的“身份证”，其中包含了系统对进程的所有关键信息，包括：

  • 进程ID：用于唯一标识该进程。
  • 状态：记录进程当前的状态（如就绪、运行、等待等）。
  • 程序计数器：保存进程的下一个指令地址，以便暂停后恢复。
  • 内存地址：记录进程在内存中的位置和分配情况。

PCB 的存在确保了进程在多任务系统中的顺利运行，操作系统会随时更新PCB中的信息，以反映进程的最新状态。以下是进程管理的主要任务：

1. 创建进程：当用户启动应用程序或系统创建新任务时，操作系统会为该进程分配资源（如内存和CPU时间片），并初始化对应的PCB。如当打开一个浏览器时，系统会创建一个新的进程，并在内存中为该进程分配浏览器运行所需的资源，生成并初始化PCB。

2. 调度进程：进程调度程序会根据调度策略决定何时分配CPU给进程。调度策略决定了在系统资源有限的情况下，如何公平合理地为进程分配时间片。如浏览器和文本编辑器同时运行时，操作系统会在两者之间交替分配CPU时间，使得用户感觉两者都在“同时”运行。

3. 终止进程：当进程完成任务或被强制结束时，操作系统会释放该进程占用的资源，并删除对应的PCB。如当用户关闭浏览器窗口时，系统会结束该进程，将其资源返还系统，并从PCB列表中移除该进程的记录。

4.2 线程的概念与多线程模型​

4.2.1 线程的概念​

线程（Thread） 是进程的细化执行单元，多个线程可以在同一进程内并行运行。可以把线程比作一份订单中不同的生产任务——一份订单（进程）可能有“切割”“组装”“包装”等多个工序（线程），而这些工序可以同时进行。

在浏览器进程中，一个线程可以负责下载文件，另一个线程负责渲染网页内容。
这些线程共享同一个浏览器进程的资源，比如网络连接和内存。

4.2.2 多线程模型​

常见的多线程模型如下：

  • 一对一模型：每个用户线程对应一个内核线程，允许多个线程真正并行。
示例：Windows系统中的应用每个任务线程都有对应的内核线程，提升并行处理能力。
  • 多对一模型：多个用户线程共享一个内核线程，但无法实现真正的并行。
示例：GNU Pth库中，多个任务共享一个内核线程，适用于轻量级任务，但资源竞争可能降低性能。
  • 多对多模型：用户线程与内核线程之间有弹性映射关系，适合多任务系统。
示例：Solaris系统中，多个任务动态分配给多个内核线程，提升系统响应速度并避免瓶颈。

4.3 进程和线程的调度策略​

操作系统通过调度策略来管理进程和线程的运行顺序。调度策略决定了系统性能、响应速度和资源利用率等重要指标。

4.3.1 先来先服务（First-Come, First-Served, FCFS）​

FCFS是最简单的调度算法，按照进程到达的顺序为其分配CPU时间片。每个进程都排队等待前一个进程完成，再获得CPU执行权限。

  • 优点：实现简单、易于理解。
  • 缺点：容易导致“等待时间过长”的情况，即早到的进程等待时间可能较长。
  • 适用场景：适用于批处理系统，但在交互系统中表现不佳。

4.3.2 短作业优先（Shortest Job Next, SJN）​

SJN优先处理执行时间较短的任务，可以有效减少平均等待时间。但由于无法预先知道执行时间，SJN在实际应用中较为有限。

  • 优点：减少平均等待时间，提高系统效率。
  • 缺点：长任务可能被长时间推迟（即“饥饿”问题）。
  • 适用场景：适合执行时间较确定的系统环境。

4.3.3 多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）​

多级反馈队列是一种综合调度算法，将进程按优先级划分到不同的队列中。系统会动态调整进程的优先级，将长时间未完成的进程调到较高优先级的队列，确保资源合理分配。

  • 优点：适合多任务环境，既支持短任务快速响应，又避免长任务“饥饿”。
  • 缺点：实现复杂，需要精细调整不同队列的优先级。
  • 适用场景：广泛应用于需要处理多种任务类型的操作系统中，如UNIX系统。

本章内容介绍了操作系统中进程和线程的基础概念、生命周期、管理方式以及多线程模型，并分析了几种常见的调度策略。下一章将深入讨论内存管理，包括内存分配方式、分页和分段管理等。