一 .引入和基本概念

2.1  程序

程序是存储在磁盘上的静态指令集合。它是一个文件（.exe、可执行文件），是被动的。

2.2  进程与线程的引入

2.2.1 进程的引入

在早期的单道程序时代，程序顺序执行（串行），具有可再现性（简单来说，同一套输入，多次运行结果一样）。但CPU利用率极低（I/O操作时CPU空闲）。
后来引入了多道程序设计，让多个程序同时驻留内存并发执行。这时问题出现了：程序并发执行时，由于CPU不断切换，程序失去了封闭性，执行结果与执行速度有关，出现了“不可再现性”。
这个问题的本质是“程序”这个概念无法描述“正在执行中”的动态变化。
因此，引入了进程（Process）。

2.2.2 线程的引入

虽然进程实现了并发，但随着时间的推移，发现了以下问题：

• 切换开销巨大：进程是资源拥有者，拥有独立的地址空间。当CPU从一个进程切换到另一个进程时，必须切换整个地址空间、更新页表、刷新TLB（快表），耗时极长。

• 通信成本高昂：进程间内存相互隔离，想要通信必须借助内核IPC（如管道、消息队列），速度慢且复杂。

• 无法满足“内部并发”：比如打开一个浏览器，一边下载一边渲染页面，如果只用进程来做，创建多个进程极其浪费资源。

本质是 进程切换时切换地址空间的成本远远跟不上CPU可能的执行速度。而如果将资源分配与调度执行分离。线程切换无需切换地址空间，开销极小，从而使得并发执行的粒度能够匹配上CPU的高速处理能力。

因此，引入了线程（Thread）。

2.3 进程和线程的概念

对比维度	程序 (Program)	进程 (Process)	线程 (Thread)
简要介绍	静态的指令集（硬盘上的文件）	动态的执行实例（运行中的程序）	进程内的执行路径（轻量级运行流）
核心角色	提供执行内容和蓝图	资源分配的基本单位	CPU调度的基本单位
存在形态	静态的、被动的	动态的、主动的（有生命周期）	动态的、主动的（依附于进程）
生命周期	永久的（文件不删就一直存在）	临时的（创建而生，终止而亡）	临时的（随进程创建/消亡，或动态创建/销毁）
资源拥有	不拥有任何资源（仅占磁盘空间）	拥有独立资源（独立地址空间、文件、端口）	共享进程资源（仅拥有私有栈和寄存器）
内存布局	仅有代码段 + 静态数据	完整的虚拟地址空间（代码+数据+堆+栈）	同进程内线程共享地址空间，仅栈独立
通信方式	不涉及通信（无法运行）	进程间通信（IPC）：管道、消息队列、共享内存、Socket（需陷入内核，开销大）	直接读写共享内存（零拷贝，无需内核介入，极快）
上下文切换	不涉及	重量级切换（需切换页表、刷新TLB/缓存，耗时约1~10微秒）	轻量级切换（仅切换寄存器和栈指针，无需切换地址空间，耗时不到1微秒）
系统开销	几乎为零（仅为存储）	创建/撤销开销大（需分配独立资源）	创建/撤销开销小（仅需分配TCB）
独立性	相互独立（静态文件）	高（拥有独立地址空间，一个进程崩溃通常不影响其他进程）	低（共享地址空间，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃）
操作系统感知	感知不到（当作普通文件管理）	强烈感知（通过PCB管理）	看情况（内核级线程感知，用户级线程不感知）

进程存在的唯一标识——PCB（Process Control Block，进程控制块）

字段	作用	补充
pointer（指针）	指向下一个PCB的地址，用于将多个PCB链接成队列（如就绪队列、阻塞队列）。	这就是操作系统把进程挂入“就绪队列”或“阻塞队列”的具体实现方式。
process number（进程号/PID）	进程的唯一身份证号（整数）。	父进程fork()返回的那个数字。
process state（进程状态）	记录当前进程处于就绪、运行、阻塞、挂起等哪种状态。	OS根据它决定下一步动作。
program counter（程序计数器/PC）	记录进程下一条要执行的指令在内存中的地址。	上下文切换（Context Switch） 的核心。当进程被踢下CPU（Running→Ready）时，OS把PC值存到这里；当进程再次上CPU时，OS从这里取出PC恢复执行。
registers（寄存器集合）	保存CPU内部所有通用寄存器、栈指针、状态字的值。	进程切走时，寄存器的值必须原封不动存到这里，否则回来时数据全乱了
memory limits（内存界限）	记录进程占用的内存基址和长度，防止它越界访问其他进程的内存。	保证进程间地址空间隔离，这是进程作为“资源拥有者”的关键凭证。
list of open files（打开文件列表）	记录进程当前打开的所有文件、管道、网络连接的指针。	这就是进程“拥有资源”的具体体现。线程共享这个列表，所以线程间打开的文件是共用的。

上下文切换（Context Switch）：CPU从正在运行的process、thread切换时，保存当前运行现场、加载新任务现场的全过程

2.4 进程的状态

2.4.1 含义

状态	含义
New（新建态）	操作系统刚刚收到创建请求，正在分配PCB（进程控制块）和初始资源，但还没允许它进入系统。
Ready（就绪态）	进程具备了一切运行条件（内存、资源都齐了），在就绪队列里排队等待调度。
Running（运行态）	进程此刻正占用CPU执行指令。
Waiting/Blocked（阻塞态）	进程在运行中因资源需要或等待其他进程响应，主动放弃CPU等待。
Terminated（终止态）	进程结束，操作系统回收它占用的所有资源，PCB即将被销毁。

2.4.2 进程控制（process operation）—— 状态切换

原语（Primitive）：原语是由若干条机器指令构成、执行过程不可中断的一段内核程序，用于完成特定进程控制功能。（内核底层、原子执行，是实现同步互斥 / 进程管理的基础）

转换线	触发事件	执行的操作（原语）	执行
New → Ready	系统允许进程从外存进入主存	创建原语 (Create) （分配PCB、分配初始资源、初始化PCB）	操作系统内核 （父进程调用fork()，由内核响应）
Ready →Running	调度程序选中该进程	调度原语 (Dispatch/Schedule) （从就绪队列摘出，恢复进程上下文到CPU）	操作系统调度器 （内核的调度模块）
Running → Ready	时间片用完 / 被高优先级抢占	中断处理原语 (Interrupt Handle) （保存当前进程上下文到PCB，将其挂入就绪队列）	操作系统内核 （时钟中断或I/O中断处理程序强制触发）
Running →Waiting	请求I/O / 等待资源 / wait()	阻塞原语 (Block/Wait) （保存现场，将进程从运行态移出，挂入阻塞队列）	进程主动调用 （例如调用read()、wait()系统调用）
Waiting → Ready	I/O完成 / 资源到位 / 事件发生	唤醒原语 (Wakeup/Signal) （将PCB从阻塞队列摘下，状态改为就绪，挂入就绪队列）	操作系统内核 （设备中断处理程序或signal释放资源时触发）
Running→Terminated	正常结束 / 异常 / 被杀死	终止原语 (Exit/Kill) （回收PCB、回收所有内存和资源、通知父进程）	进程主动调用exit()，或父进程/内核强制kill

创建原语 (Create) -- 父进程与子进程

• 资源共享（Resource sharing）：全部、部分[fork()+写时复制COW]、不共享[（fork（）+exec（）]
• 执行（Execution）：同时执行，父进程会阻塞直到子进程终止
• 进程的创建、程序替换、同步与终止的UNIX/Linux 系统编程代码：

#include <stdio.h>

void main(int argc, char *argv[])
{
    int pid;

    /*fork another process */
    // 创建子进程系统调用fork()
    pid = fork();

    // 分支1：fork调用失败（内存不足/进程数上限）
    if (pid < 0) {
        fprintf(stderr, "Fork Failed");
        // 标准错误流打印失败信息
        exit(-1);
      
    }
    // 分支2：pid == 0 代表当前是子进程
    else if (pid == 0) {
        execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
        // 加载执行ls命令，替换子进程全部内存镜像
        // execlp执行成功后，后续代码永远不会运行；执行失败才会向下执行
    }
    // 分支3：pid > 0 代表当前是父进程，pid是子进程PID
    else {
        wait(NULL);
     
        printf("Child Complete");
      
        exit(0);
     
    }
}

2.5 进程的通信 （IPC，Inter-Process Communication）

2.5.1 两个的独立进程，怎么找到对方共同的“内核对象”（管道、共享内存、消息队列）

类型	代表机制	如何找到对象？	适用范围
匿名 (Anonymous)	匿名管道（pipe()）	靠继承。父进程通过 fork() 把管道的文件描述符直接传给子进程。	仅限于有亲缘关系（父子/兄弟进程）。
命名 (Named)	命名管道（FIFO）、共享内存、消息队列、Socket	靠路径名或Key。进程根据事先约定好的字符串（如 /tmp/my.pipe 或 12345）向内核“申请”打开。	任意进程 （无亲缘关系也能通信）。

2.5.2 通信方式

IPC方式	通信范围	同步/异步	数据边界	速度排名	典型应用
信号 (Signal)	单机	异步	无数据负载（仅传信号编号）	极快	进程异常终止、定时器、SIGCHLD
管道 (Pipe)	匿名(亲缘) / 命名(任意)	同步阻塞	无格式字节流（无边界）	慢	Shell命令连接（ls | grep）
消息队列 (MQ)	任意进程（单机）	通常异步	有边界数据报（按类型/长度取）	中等	异步任务分发、日志收集
共享内存 (SHM)	任意进程（单机）	同步（需配合锁）	原始内存块（无格式）	极快	数据库缓存区、高速数据交换"
信号量 (Semaphore)	任意进程（单机）	同步工具	计数器（整数）（非数据通道）	快	保护共享资源（互斥锁/读写锁）
套接字 (Socket)	跨网络（也可单机）	同步/异步	TCP 字节流无边界；UDP 数据报自带边界	较慢	Web服务器、浏览器、分布式系统

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