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）。

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：

调度前：从 PCB 查现行状态和优先级
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
运行中：同步、通信、访问文件都要碰 PCB
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：

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）
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
初始化 PCB（标志信息、处理机状态、控制信息、优先级）
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：

按标识符检索出 PCB，读出状态
若处于运行态，立即终止执行，CPU 让给其他进程
若还有子孙进程，全部连带终止
所有资源归还给父进程或操作系统
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。

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。

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。

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。

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

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
"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）
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）
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
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
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
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
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）
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
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
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

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