进程、线程与进程间通信

本节导读

「进程管理」是操作系统内容最多的一章，本课分四节：这一节讲进程与线程，第 22 节讲 CPU 调度，第 23 节讲同步与互斥，第 24 节讲死锁。大纲在进程与线程下列了：基本概念、状态与转换、线程的实现（内核支持的线程、线程库支持的线程）、组织与控制、进程间通信（共享内存、消息传递、管道、信号）。其中「信号」是常见资料称 2025 年版新增的内容。

学完你应该能判断一个事件会引起进程怎样的状态变化，能数出含 fork 的程序会产生几个进程，并能比较四种进程间通信方式。

进程的概念与状态

进程是程序在一个数据集合上的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位（引入线程后，调度单位变成线程）。进程实体由程序段、数据段和进程控制块 PCB 组成；PCB 是进程存在的唯一标志，记录进程标识符、状态、优先级、程序计数器与寄存器现场、内存与文件等资源信息。进程具有动态性、并发性、独立性和异步性。

进程有五种状态：创建、就绪（只差 CPU）、运行、阻塞（等待某个事件，即使给它 CPU 也不能运行）、终止。三种基本状态之间的转换：

转换	原因	主动还是被动
就绪 → 运行	被进程调度程序选中	—
运行 → 就绪	时间片用完，或被更高优先级的进程抢占	被动
运行 → 阻塞	请求资源未满足、等待 I/O 或其他事件	进程主动
阻塞 → 就绪	等待的事件发生（如 I/O 完成），由别的进程或中断处理程序唤醒	被动

被唤醒的进程进入就绪队列，等调度程序选中才能运行。

进程的组织与控制

系统中的 PCB 按状态组织成就绪队列、各种阻塞队列（链接方式），或建立索引表（索引方式）。进程控制用原语实现，原语执行时不可被打断：创建、撤销（终止）、阻塞、唤醒、挂起、激活等。

UNIX 类系统用 fork 创建子进程：子进程得到父进程地址空间的副本，从 fork 之后的语句开始执行；fork 在父进程中返回子进程的进程号（大于 0），在子进程中返回 0，据此可以让父子进程走不同的分支。

线程

线程是进程中的一个执行流，是 CPU 调度的基本单位；进程仍是资源分配的基本单位。同一进程的线程共享进程的地址空间（代码、全局变量、堆）和打开的文件等资源，每个线程有自己的线程控制块、程序计数器、寄存器和栈。线程切换不必切换地址空间，开销比进程切换小。

比较项	用户级线程（线程库支持）	内核级线程（内核支持）
管理者	用户空间的线程库，内核不知道线程存在	内核，内核为每个线程建立 TCB
切换	不进入内核，快	要进入内核，较慢
一个线程阻塞时	整个进程都被阻塞	只有这个线程阻塞，其他线程可继续运行
多处理器	同一进程的线程不能同时在多个 CPU 上运行	可以并行运行

多线程模型：多对一（多个用户级线程映射到一个内核级线程）、一对一（每个用户级线程对应一个内核级线程）、多对多。