第二章：进程与线程（Processes and Threads）

一、基本概念

  • Multiprogramming（多道程序设计） 一种操作方式，允许多个程序交替运行在同一个处理器上，提高CPU利用率。
  • Concurrency（并发性） 指多个程序或任务看似同时运行，提高系统的响应能力和吞吐量。

二、进程（Process）

1. 进程的定义

进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。

2. 进程的创建方式（Process Creation）

  • 系统初始化（System Initialization）
  • 调用系统调用（如 fork()）
  • 用户请求（User request）
  • 批处理作业启动（Batch job initiation）

3. 进程的终止方式（Process Termination）

  • 正常退出（Normal exit，主动）
  • 错误退出（Error exit，主动）
  • 致命错误（Fatal error，被动）
  • 被其他进程杀死（Killed by another process，被动）

4. 进程状态（Process States）

  • 运行态（Running）
  • 就绪态（Ready）
  • 阻塞态（Blocked）

5. 进程实现（Process Implementation）

操作系统为每个进程维护一个进程控制块（PCB，Process Control Block），内容包括：

  • 进程标识（PID）
  • 进程状态信息
  • 进程控制信息（如寄存器值、资源分配等）

三、线程（Thread）

1. 用户级线程（User-Level Threads, ULT）

优点：

  • 可在任何操作系统上运行
  • 线程切换速度远快于进程切换
  • 可扩展性更强

缺点：

  • 系统调用阻塞时，整个进程中的所有线程都会被阻塞（因为内核不知道线程的存在）

2. 线程与进程的比较（Thread vs Process）

特性 进程（Process） 线程（Thread）
定义 执行程序的基本单位，拥有独立资源 执行路径，隶属于进程
所属关系 相互独立 线程共享进程资源
切换开销 大 小
通信方式 进程间通信（IPC） 共享内存，通信简单快速
故障影响 相互独立，互不影响 一个线程崩溃可能影响整个进程

四、顺序进程模型

  • 顺序进程是指从头到尾连续、不被中断地执行的一段程序。
  • 上下文切换（context switch）如果要显式保存/恢复状态，就会破坏顺序模型。

五、系统调用方式

1. 阻塞系统调用（Blocking Call）

  • 调用如 read(), write(), fread(), getc() 时，调用进程会进入阻塞状态直到操作完成。
  • 简单、容易编程，但会造成等待。

2. 非阻塞系统调用（Non-Blocking Call）

  • I/O 调用立即返回，调用者可以继续执行。
  • 操作完成时，操作系统通过中断通知进程。
  • 实现复杂，适合高并发编程。

六、中断（Interrupt）

  • 指CPU在检测到某种紧急或预定事件后，暂停当前执行任务，转而处理该事件的过程。
  • 中断处理完毕后，CPU会继续原来的工作。
  • 实现系统响应外设、异常等关键机制。