概念 组成 特征

分配唯一的PID（process ID），进程所属用户，分配资源，运行情况，以上信息被保存在数据结构PCB
进程实体(进程映像)由PCB，程序段，数据段组成

状态与转换

看书完全看不懂，还不如看视频清楚

进程控制

进程控制要用原语，要一气呵成。




进程控制（Process Control）是操作系统管理和调度进程的重要组成部分。它涉及到进程的创建、执行、暂停、终止以及在不同进程之间的切换。进程是程序的一次执行实例，它包含程序代码、数据段、堆栈段以及相关资源。在操作系统中，进程控制的主要内容包括以下几个方面：

1. 进程的状态

进程可以处于不同的状态，操作系统会根据这些状态来管理进程。常见的进程状态有以下几种：

• 就绪状态（Ready）：进程已准备好执行，等待CPU分配资源。
• 运行状态（Running）：进程正在CPU上执行。
• 阻塞状态/等待状态（Blocked/Waiting）：进程因等待某种资源（如I/O操作）而暂时停止执行。
• 终止状态（Terminated）：进程已完成任务或因异常情况被终止。

2. 进程控制块（PCB）

每个进程在操作系统中都有一个与之相关的结构体，称为进程控制块（Process Control Block，PCB）。PCB中包含进程的关键信息：

• 进程ID（PID）：唯一标识进程的ID。
• 程序计数器（PC）：保存进程下一条将要执行的指令地址。
• CPU寄存器：用于保存进程执行过程中CPU的寄存器内容。
• 进程状态：记录进程当前的状态（就绪、运行、等待等）。
• 记忆信息：进程的地址空间、内存使用情况等。
• I/O状态：与该进程相关的I/O设备信息。

操作系统通过PCB来跟踪进程的执行情况，并进行上下文切换。

3. 进程的创建与终止

进程的创建和终止是进程控制的两个基本操作。

进程的创建

创建进程时，操作系统会为新进程分配必要的资源，如内存空间、文件描述符等。通常，进程创建的方式是通过系统调用来实现的。在Linux系统中，使用fork()系统调用创建新进程。fork()会将当前进程复制为一个子进程，子进程和父进程执行相同的代码，但它们各自拥有不同的进程ID。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("This is the child process.\n");
    } else {
        // 父进程
        printf("This is the parent process.\n");
    }
    return 0;
}

进程的终止

进程执行完任务或因异常情况退出时，系统会释放与该进程相关的所有资源。进程终止的常见方式有两种：

• 正常终止：进程执行完任务，调用exit()函数。
• 异常终止：进程由于某些错误（如非法操作、段错误）被系统强制终止。

4. 进程调度

进程调度是操作系统管理CPU资源的重要机制。调度程序负责决定哪一个进程应该进入运行状态，并控制进程在CPU上的执行顺序。常见的调度算法有：

• 先来先服务（FCFS）：按照进程到达的顺序调度执行。
• 最短作业优先（SJF）：选择预计执行时间最短的进程。
• 轮转法（Round Robin）：每个进程分配固定时间片，轮流执行。
• 优先级调度（Priority Scheduling）：根据进程的优先级调度，优先级高的进程先执行。

5. 进程间通信（IPC）

进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）用于在不同进程之间传递数据。由于进程具有独立的内存空间，它们无法直接共享数据，因此需要通过IPC机制进行通信。常见的IPC机制包括：

• 管道（Pipe）：用于在父子进程之间传递数据。
• 消息队列（Message Queue）：允许进程之间发送和接收消息。
• 共享内存（Shared Memory）：多个进程可以直接访问共享的内存区域。
• 信号量（Semaphore）：用于同步多个进程的执行，避免竞争条件。
• 套接字（Socket）：用于网络通信进程之间的数据交换。

6. 上下文切换

当操作系统从一个进程切换到另一个进程时，需要保存当前进程的状态并恢复新进程的状态，这个过程称为上下文切换（Context Switch）。上下文切换的开销较大，因为需要保存和恢复寄存器、程序计数器等信息。

进程通信

进程间通信（Inter-Process Communication，简称 IPC）是指不同的进程之间通过某种机制来交换数据或信息。由于操作系统中不同的进程有独立的地址空间，它们无法直接共享内存中的数据，所以需要使用特定的通信方式来进行数据交换。

IPC 的应用场景非常广泛，例如在多任务环境中，不同的进程可能需要协作完成复杂任务，或者当一个进程产生数据时，另一个进程需要接收并处理这些数据。常见的 IPC 机制有以下几种：

1. 管道（Pipes）

管道是一种最古老和简单的 IPC 方式，允许一个进程将输出重定向到另一个进程的输入。管道有以下两种类型：只能半双工通信

• 匿名管道（Unnamed Pipe）：只能用于父子进程之间的通信，具有单向性。数据在管道中只能从一端写入，从另一端读取。

• 命名管道（Named Pipe，也叫 FIFO）：可以用于任意进程间的通信，双向通信，但必须要通过文件系统来建立命名管道。

优点：简单易用，特别适用于父子进程通信。

缺点：数据只能一次性传递，无法保留状态，而且只能在同一台主机上使用。

2. 信号（Signals）

信号是一种简单的异步通信方式，通常用于通知进程发生了某些事件。例如，一个进程可以向另一个进程发送一个信号，告诉它发生了特定的情况（如结束进程、暂停执行等）。

优点：操作简单，可以异步通知。

缺点：信号本身只传递很少的信息（通常就是信号的类型），不适合复杂数据传递。

3. 消息队列（Message Queues）

消息队列允许进程以消息的形式传递数据。消息队列可以看作一个链表，进程可以将消息放入队列，另一个进程从队列中读取消息。
直接通信方式，间接通信方式。
需要两个原语：发送原语和接收原语
优点：消息队列可以跨多个进程使用，且支持消息的优先级。

缺点：需要显式地管理消息队列，消息大小有一定的限制。

4. 共享内存（Shared Memory）

共享内存是最快的 IPC 方式之一，它允许多个进程共享一段内存。进程可以通过读取和写入这段共享内存来通信。但因为多个进程可以同时访问这段内存，因此需要同步机制（如信号量）来避免竞争条件和数据不一致的问题。

要保证共享访问是互斥的
优点：效率非常高，适合大量数据交换。

缺点：需要管理内存同步，编程复杂。

5. 信号量（Semaphores）

信号量主要用于解决共享资源访问的同步问题，它本身并不传递数据，而是用于协调多个进程对共享资源的访问，确保某个时刻只有一个进程可以访问资源。

优点：用于进程同步，避免竞争条件。

缺点：只能传递同步信息，不传递实际数据。

6. 套接字（Sockets）

套接字不仅可以用于进程间通信，还可以用于网络通信。套接字允许两个进程通过网络或本地的通信机制进行数据传输。通过 TCP/IP 或者 UNIX 套接字，进程可以实现双向通信。

优点：可以用于不同主机之间的通信，不局限于本地进程。

缺点：通信成本较高，编程相对复杂。

7. 内存映射文件（Memory-Mapped Files）

进程可以通过将文件映射到内存地址空间，来实现文件内容的共享。不同进程可以通过映射同一个文件的方式，达到共享数据的目的。

优点：适合用于共享大量数据的进程间通信。

缺点：需要处理文件系统的管理，使用复杂。

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典型场景

1. 多进程服务器：使用套接字实现进程之间的数据传递和客户端请求的处理。
2. 多进程的图像处理任务：使用共享内存或消息队列，在不同进程间传递大块数据（如图像）。
3. 父子进程的同步和通信：使用信号量、管道来同步资源访问或传递控制信号。

选择适合的 IPC 方式，取决于具体场景中需要传递的数据量、速度、复杂性等因素。

线程

单对单

一对一模型:一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
优点:当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

多对单

多对多

线程的转换

杂七杂八知识点

程序封闭性指进程的结果只取决于本身，不受外界影响。

C语言编写的程序在使用内存时一般分为三个段,它们一般是正文段(即代码和赋值数据段)、数据堆段和数据栈段：二进制代码和常量存放在正文段，动态分配的存储区在数据堆段，临时使用的变量在数据栈段。由此，我们可以确定全局赋值变量、常量在正文段赋值数据段，未赋值的局部变量和实参传递在栈段，动态内存分配在堆段，进程的优先级只能在 PCB内。

只要就绪队列不空，无论多少进程就绪数目，CPU效率不变。

不同进程有不同的代码段和数据段，全局变量只针对同一个进程

进程创建原语完成的工作是:向系统申请一个空闲PCB，为被创建进程分配必要的资源，然后将其PCB初始化，并将此PCB插入就绪队列，最后返回一个进程标志号。