---
title: "02-进程与线程：从程序到并发执行"
aliases:
  - 进程与线程
created: 2026-08-29
tags:
  - 基础与理论
  - 操作系统
  - "408"
---

# 进程与线程：从程序到并发执行

> 本篇对应王道第二章上半（原 08 篇）。四个问题贯穿全篇：**为什么要引入进程、进程是什么、进程由什么组成、进程是怎么解决问题的**。最后是它的续集——线程。

## 一、为什么要引入进程

单道程序时代，程序独占整台机器，从头跑到尾，结果只取决于程序本身——这叫**封闭性**。

多道程序并发之后，假设崩了：

- 程序走走停停（时间片到了让出 CPU、等 IO 阻塞）
- 程序之间相互制约（抢资源、要同步）
- **失去封闭性**：不同速度下推进，执行结果可能不同

为了描述和控制这种"并发执行的程序"，让并发性和共享性真正落地，引入了**进程**。

## 二、进程是什么

### 进程实体：程序段 + 数据段 + PCB

为了使参与并发执行的每个程序都能独立运行，必须配置一个专门的数据结构——**进程控制块（PCB）**。

系统利用 PCB 描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。**程序段、相关数据段、PCB 三部分构成进程实体（进程映像）**。

两个关键认知：

- **创建进程 = 创建 PCB，撤销进程 = 撤销 PCB**——操作的都是 PCB
- **PCB 是进程存在的唯一标志**——系统只有通过 PCB 才能感知到进程的存在
- 进程映像是**静态的**，进程是**动态的**（一个是数据结构，一个是运行过程）

定义（引入进程实体之后）：

> 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。

### 四大特征

| 特征 | 一句话 | 备注 |
| --- | --- | --- |
| **动态性** | 有创建、活动、暂停、终止的生命周期 | **最基本的特征** |
| **并发性** | 多个进程同存于内存，一段时间内同时运行 | 引入进程的目的 |
| **独立性** | 独立运行、独立获取资源、独立接受调度的基本单位 | 没建 PCB 的程序不配 |
| **异步性** | 按各自独立的、不可预知的速度推进 | 可能导致结果不可再现 → 必须配同步机制 |

## 三、进程的状态与转换

### 五状态模型

三种基本状态 + 两个过渡状态：

| 状态 | 含义 | 备注 |
| --- | --- | --- |
| **运行态** | 正在 CPU 上跑 | 单处理机中每个时刻**最多一个**（但可以零个，见盲点） |
| **就绪态** | 万事俱备，**只差 CPU** | 可能有多个，排成就绪队列 |
| **阻塞态** | 等 CPU **以外**的资源或事件（等 IO 完成、等资源可用） | 按阻塞原因排多个阻塞队列 |
| **创建态** | 正在被创建，还没转到就绪态 | PCB 申请好了但资源没到位（比如内存不足） |
| **终止态** | 正在从系统中消失 | 先置终止态，再做资源释放回收 |

**就绪态和阻塞态的区别是本章第一道坎**：就绪差的是 CPU，阻塞差的是 CPU 以外的东西——所以 CPU 空闲阻塞进程也不能跑，它得先变成就绪。

另一个体感区别：**就绪↔运行切换非常频繁**（分时轮转，毫秒级）；阻塞相关的切换就少得多（资源分配和 IO 等待往往很长）。

![[image-97daf2d3.png]]

### 状态转换

| 转换 | 触发 | 方向性 |
| --- | --- | --- |
| 就绪 → 运行 | 被调度，获得 CPU | 被动（调度程序选的） |
| 运行 → 就绪 | 时间片用完；或被更高优先级进程抢占 | 被动 |
| 运行 → 阻塞 | 请求资源/等待事件（系统调用形式） | **主动行为** |
| 阻塞 → 就绪 | 等待的事件到来（IO 完成、中断结束） | **被动**（由中断处理程序协助） |

> ⚠️ 记住两个"唯一"：运行→阻塞是**主动**的（进程自己调用的）；阻塞→就绪是**被动**的（要相关进程协助）。另外**阻塞不能直接跳到运行**，必须先进就绪队列排队。

## 四、进程由什么组成：PCB

### PCB 里装了什么

| 信息类别 | 内容 | 干什么用 |
| --- | --- | --- |
| **进程描述信息** | 进程标识符（唯一 PID）、用户标识符 | 标识进程、归属用户（共享和保护服务） |
| **进程控制和管理信息** | 进程当前状态、优先级 | 处理机分配调度的依据 |
| **资源分配清单** | 内存地址空间/虚拟地址空间状况、打开文件列表、所用 IO 设备 | 说明进程占着哪些资源 |
| **处理机相关信息** | 各寄存器的值（处理机上下文） | 切换时保存现场，恢复时从断点继续 |

整个生命周期中系统都靠 PCB 控制进程：

1. 调度前：从 PCB 查现行状态和优先级
2. 调度后：按 PCB 保存的处理机状态恢复现场，按 PCB 记的地址找到程序和数据
3. 运行中：同步、通信、访问文件都要碰 PCB
4. 暂停时：断点的处理机环境存回 PCB

### PCB 怎么组织

系统里 PCB 很多（就绪的、各种原因阻塞的），常用两种组织方式：

- **链接方式**：同一状态的 PCB 链接成一个队列（就绪队列、多个阻塞队列）——主流
- **索引方式**：同一状态的进程组织在索引表中，表项指向 PCB（就绪索引表、阻塞索引表……）

### 程序段与数据段

- **程序段**：能被调度到 CPU 执行的程序代码。可以被**多个进程共享**——多个进程运行同一个程序
- **相关数据段**：程序加工的原始数据，也可以是执行时产生的中间/最终结果

## 五、进程怎么被控制：原语

进程控制 = 创建新进程、撤销已有进程、实现状态转换。做这些事的程序段称为**原语**——要么全做要么全不做（原子性靠**关中断**实现，见 [[01-操作系统概述|操作系统概述]] 里的内核部分）。

### 创建原语（创建态 → 就绪态）

允许一个进程创建另一个进程：创建者是**父进程**，被创建的是**子进程**，子进程继承父进程的所有资源；子进程被撤销时资源归还父进程，父进程被撤销时所有子进程同时撤销——**这点学过面向对象后应该很容易理解**。

触发场景：用户登录、作业调度、系统提供服务、应用请求。

流程：

1. 分配唯一进程标识号，申请空白 **PCB**（PCB 是有限的，申请失败 = 创建失败）
2. 分配运行所需资源（内存、文件、IO 设备……）——**资源不足不是创建失败，是进创建态等资源**
3. 初始化 PCB（标志信息、处理机状态、控制信息、优先级）
4. 插入就绪队列，等调度

### 终止原语（→ 终止态）

三种终止原因：**正常结束**（任务完成）、**异常结束**（存储区越界、保护错、非法指令、运行超时、IO 故障……）、**外界干预**（操作员/OS 干预、父进程请求或终止）。

流程：

1. 按标识符检索出 PCB，读出状态
2. 若处于运行态，立即终止执行，CPU 让给其他进程
3. 若还有子孙进程，**全部连带终止**
4. 所有资源归还给父进程或操作系统
5. PCB 从所在队列删除（涉及随机删除 → 一般用链表实现队列）

### 阻塞原语与唤醒原语

- **阻塞（block）**：正在运行的进程期待的某些事件未发生（资源请求失败、等 IO 完成、新数据未到达），进程**自己调用阻塞原语**，运行态 → 阻塞态。再次印证：**阻塞是主动行为，只有运行态能变阻塞**
- **唤醒（wakeup）**：期待的事件出现时（IO 完成、数据到达），由**相关进程**（释放 IO 设备的进程、提供数据的进程）调用唤醒原语：等待队列中找到 PCB → 移出置就绪态 → 插入就绪队列

> ⚠️ Block 和 Wakeup 是一对作用相反的原语，**必须成对使用**——否则进程会因不能被唤醒而永久阻塞。

## 六、进程怎么说话：进程通信

### 低级通信：PV 操作

信号量 + P（尝试，申请资源，不可用则阻塞）/V（增加，释放资源，可能唤醒等待者），用于**互斥**（不同时碰共享资源）和**同步**（控制执行顺序）。传的只是信号不是数据，所以是"低级"通信。细节全在 [[04-同步与互斥]] 里展开。

### 高级通信：传大量数据

#### 共享存储

通信进程之间存在一块**可直接访问的共享空间**，读写这片空间实现信息交换。

![[image-bee835bb.png]]

- **低级方式**：基于数据结构的共享（如共享空间里只放一个固定长度的数组）——速度慢、限制多
- **高级方式**：基于存储区的共享（划出一块存储区，形式、位置、存取速度都由进程控制）

**操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如 PV 操作），数据怎么读写交换由用户自己安排**。

直观理解：AB 之间有个 **C 麻袋**，A 把东西放进麻袋，B 从麻袋里拿——但 B 不能直接从 A 手里拿，A 也不能直接从 B 手里拿，一切通过麻袋中转。而且用麻袋时双方要约定好规矩（互斥访问），不然两个人同时伸手就乱了。

注意：进程空间一般是独立的，进程运行期间不能访问别的进程的空间，**想让两个进程共享空间必须通过特殊的系统调用**；而进程内的线程是**天然共享**进程空间的。

#### 消息传递

进程之间没有可直接访问的共享空间时，用操作系统提供的**发送/接收两个原语**，以格式化消息（消息头 + 消息体）为单位交换数据。

![[image-93aa69d6.png]]

- **直接通信**：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
- **间接通信**：消息先发到中间实体——**信箱**，接收进程再从信箱取

写信比喻：A 要告诉 B 某些事情，就写信让邮差送。**直接通信就是邮差把信直接送到 B 手上；间接通信就是 B 门口有个邮箱，邮差把信放进邮箱**。后者广泛应用于计算机网络，也隐藏了通信细节、对用户透明，是当前应用最广泛的 IPC 机制——微内核 OS 的微内核与服务器之间用的就是消息传递，也因为它能很好支持多处理机、分布式系统和计算机网络。

#### 管道通信

管道是连接读写进程的一个**特殊共享文件**（pipe 文件），本质是**内存中一个固定大小的缓冲区**（Linux 中通常 4KB）。两个进程按**生产者—消费者**方式通信：生产者向一端写，消费者从另一端读，数据**先进先出**。

![[image-d1e80d39.png]]

- 管道非空 → 读进程可读；读空 → 读进程阻塞，等写进程写入新数据再唤醒
- 管道不满 → 写进程可写；写满 → 写进程阻塞，等读进程读出数据再唤醒
- 从管道读数据是**一次性操作**：数据一旦被读走就释放空间（不像文件可以反复读）
- **半双工**：普通管道只允许单向通信，父子进程要双向通信就得**定义两个管道**

管道机制必须提供三方面协调能力：**互斥**（同一时间只能一个进程操作管道）、**同步**（空等读、满等写的协调）、**确定对方存在**（对方没了别傻等，避免"悬挂"错误）。

和普通文件的区别：**固定缓冲区大小**（防止数据无限增长，资源可控）+ **阻塞机制**（同步读写双方）。管道还有**继承性**：父进程创建的管道，子进程创建时自动继承（类似文件描述符），所以管道常用于父子进程通信。

## 七、线程：更小的调度单位

### 为什么要引入线程

引入进程是为了让多道程序并发执行，提高资源利用率和吞吐量；而**引入线程是为了减小程序并发执行时付出的时空开销，提高并发性能**。

进程切换动辄换上下文（PCB 四大类信息、地址空间……），但如果是**同一个进程内部的线程切换**，地址空间都不用动，只需很少的时空开销。

### 线程是什么

最直接的理解：**"轻量级进程"**。它是基本的 CPU 执行单元，也是程序执行流的最小单元，由**线程 ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈**组成。

- 线程自己**不拥有系统资源**（只拥有一点运行中必不可少的东西），但可与同进程的其他线程**共享进程的全部资源**
- 一个线程可以创建和撤销另一个线程；同进程内多线程并发执行
- 既然并发，线程间也相互制约 → 线程也有**就绪、阻塞、运行**三种基本状态，转换关系同进程

**引入线程后，进程的内涵变了**：

- 以前：进程是资源分配**和调度**的独立单位
- 现在：**进程只作为除 CPU 以外系统资源的分配单元，线程作为处理机（CPU）的分配单元**

### 线程 vs 进程

| 维度 | 进程 | 线程 |
| --- | --- | --- |
| 调度 | 引入线程前是调度基本单位 | **处理机调度的基本单位**；同进程内线程切换不引起进程切换 |
| 并发性 | 进程间并发 | 进程间、进程内多线程、甚至跨进程的线程都能并发 |
| 拥有资源 | **拥有资源的基本单位** | 不拥有系统资源，但可访问隶属进程的资源 |
| 独立性 | 独立地址空间，除共享全局变量外其他进程不可见 | 同进程线程共享地址空间；对**其他进程**的线程不可见 |
| 系统开销 | 创建/撤销要分配回收 PCB 及资源，切换要换整个上下文 | 切换只保存设置少量寄存器；同进程线程同步通信天然容易 |

> 💡 为什么线程必须"不拥有资源"？如果线程也是拥有资源的单位，切换线程就要较大的时空开销，线程这个概念也就失去意义了——它的价值恰恰建立在"轻"上。

### 线程控制块 TCB 与线程的组织

系统为每个线程配一个 **TCB**，记录：线程标识符、寄存器集（PC、SP 等，切换时保存恢复现场）、线程状态、线程堆栈（函数调用返回地址、局部变量）、优先级、链接指针（指向同进程其他线程或队列中的下一个线程）、同步机制信息（锁/信号量）、资源使用信息、CPU 使用时间等。

线程也有生命周期：由创建而产生（初始化线程负责创建新线程，创建函数传入口指针、堆栈大小、优先级，返回线程标识符）、由调度而执行、由终止而消亡。**线程被终止后并不直接释放资源**——等其他线程执行了分离函数后，被终止线程才与资源分离；未释放资源的终止线程甚至可以被重新恢复运行。

### 用户级线程 vs 内核级线程

**用户级线程（ULT）**：线程管理（创建、撤销、切换）全部在**用户空间**由线程库完成，**内核意识不到线程的存在**，调度仍以**进程**为单位。

- 优点：切换不需要进核心态，**效率高**；各应用可定制自己的调度算法；跨平台（不依赖内核实现）
- 缺点：**一个线程阻塞系统调用 → 整个进程全阻塞**（内核只看得到进程）；**多处理机利用不足**（内核认为进程是单线程的，同一时刻整个进程只能在一个 CPU 上跑）

> 💡 **答疑：不是说多线程能把多个线程分到不同 CPU 提高效率吗？** 那说的是**内核级线程**。ULT 的场景里 CPU 只看得到进程，多线程"多此一举"；KLT 的场景里内核认识每个线程，才能真正发挥多核优势。这也是为什么要把两者分开设计——各有各的适用场景。
>
> **算法竞赛能不能用多线程提效？** 大多数竞赛（ACM、LeetCode 等）在单线程环境下评测，多线程要么跑不了要么不符合评分逻辑；竞赛考察的是算法本身的复杂度优化。除非题目明确鼓励并行，否则专注单线程算法效率更实际。

**内核级线程（KLT）**：线程管理全部由**内核**完成，每个线程有 TCB，内核认识并独立调度每个线程。

- 优点：能利用多核真正并行；一个线程阻塞，内核可调度同进程其他线程继续跑；线程管理高效
- 缺点：线程切换要在用户态/核心态之间转换，**系统开销大**；同步管理更复杂

> ⚠️ 即使是同一进程内的两个内核级线程切换，也需要**从用户态转到核心态**进行——系统开销较大。

**组合方式**：内核支持 KLT 的建立调度，用户程序又能建 ULT，若干 ULT 通过时分复用映射到 KLT 上——结合两者优点：既能并行，阻塞又不会连坐整个进程。

![[image-f2ae1028.png]]

### 多线程模型

按 ULT 和 KLT 的映射关系分三种：

| 模型 | 映射 | 优点 | 缺点 |
| --- | --- | --- | --- |
| **多对一** | n 个 ULT → 1 个 KLT | 线程管理在用户空间，效率高 | 一个线程访问内核时阻塞 → 整个进程阻塞；不能并行到多处理机 |
| **一对一** | 每个 ULT → 1 个 KLT | 一个线程阻塞可调度别的，**并发能力强** | 每建一个用户线程就建一个内核线程，**开销大** |
| **多对多** | n 个 ULT → m 个 KLT（n ≥ m） | 集两家之长：并发性不差，开销可控 | 实现最复杂 |

### 线程库

线程库是给程序员提供创建和管理线程的 API。两种实现：用户空间库（调用库函数只是本地函数调用，如 POSIX Pthreads 在纯用户态实现时）和内核级库（调用 API 触发系统调用，如 Windows 线程）。常见：Pthreads（Unix-like 通用，`pthread_create`/`pthread_join`）、Windows（`CreateThread`）、Java（语言级内置，`Thread`/`Runnable`）、C#（`System.Threading`）、Python（`threading`，但受 **GIL** 限制——多核上也无法真正并行）。

## 八、盲点总复习

1. **线程包含 CPU 现场，可以独立执行程序**——对，线程是处理机调度的基本单位
2. "单处理机系统中任何时刻只有一个进程处于运行态"——**错**。死锁时可能全部进程阻塞，CPU 空转，一个运行的都没有（**最多一个，可以零个**）
3. 单处理机 10 个进程：就绪态最多 **9** 个（至少留一个运行态），阻塞态最多 **10** 个（可以全部阻塞）
4. **并发进程失去封闭性**：封闭性 = 结果只取决于进程本身、不受外界影响、与速度无关；并发后速度不同结果可能不同
5. 进程实体各部分对应 C 程序（形成闭环）：二进制代码和常量、全局赋值变量 → **共享正文段**；malloc 动态分配 → **数据堆段**；未赋值局部变量、函数实参 → **数据栈段**；进程优先级 → **PCB**
6. 同一程序多次创建运行在不同数据集上 → **不同的进程**；系统动态 DLL 的系统线程被不同进程调用 → **相同的线程**
7. 进程是暂时的、动态的，程序是永久的、静态的；进程至少由代码、数据、PCB 组成，程序只需代码和数据
8. 多道系统中就绪队列不空时，就绪进程越多，处理器效率**不变**——只要队列不空 CPU 就总能调度进程保持繁忙，与就绪数目无关（除非队列空了 CPU 等待才降效率）
9. **两个合作进程无法利用全局变量交换数据**——不同进程地址空间独立，全局变量只在进程内有意义。交换数据得靠：文件系统（管道也算一种文件）、共享内存、消息传递
10. 内核级线程的切换（哪怕同进程内）也要从用户态转核心态，开销较大
11. **父子进程共享一部分资源，但不能共享虚拟地址空间**——创建子进程时会为它分配自己的虚拟地址空间

---

进程会"抢"CPU，那 CPU 到底该给谁？下一章讲调度 → [[03-CPU调度]]

⬅️ 🏠 [[00-操作系统总览]] ➡️ [[03-CPU调度]]