一、进程与线程

1. 核心定义

• 进程：操作系统资源分配的最小单位，拥有独立内存空间、文件资源，是资源调度的基本单元。进程的组成：进程控制块PCB（唯一标志）、程序（描述进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）。

• 线程：操作系统CPU调度与执行的最小单位，无独立资源，共享所属进程全部资源，切换开销极低。

简单总结：进程管资源，线程管执行。

2. 进程与线程完整对比

对比维度	进程（Process）	线程（Thread）
资源归属	独立内存、独立文件句柄、独占系统资源	共享进程资源，无独立地址空间
切换开销	大（需刷新页表、上下文、缓存）	极小（仅切换栈与寄存器）
通信方式	IPC通信（管道、消息队列、共享内存、信号量）	直接读写共享变量，无需复杂通信机制
容错性	进程崩溃相互隔离，不影响其他进程	单线程异常崩溃，整个进程直接终止
创建销毁	成本高、速度慢	成本低、速度快，支持高并发

3. 共享与非共享资源

• 同一进程线程共享：代码段、全局变量、打开的文件、进程ID、工作目录、定时器

• 线程私有不共享：线程栈、局部变量、寄存器、线程优先级、栈指针

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二、进程状态图（三态+五态模型）

1. 进程三态基础模型

三种状态定义

• 就绪态：资源全部就绪，仅等待CPU调度

• 运行态：占用CPU，正在执行代码指令

• 阻塞态（等待态）：等待IO、资源、信号，主动放弃CPU

标准流转图

就绪态 ——(CPU调度选中)——> 运行态 运行态 ——(时间片用完/被抢占)——> 就绪态 运行态 ——(等待IO/资源)——> 阻塞态 阻塞态 ——(事件完成/资源就绪)——> 就绪态

三态绝对禁忌

• ❌ 阻塞态 → 运行态（必须先转为就绪态排队）

• ❌ 就绪态 → 阻塞态（未运行进程不会主动等待资源）

2. 进程五态进阶模型（含挂起｜难点）

三态模型无法解决内存不足问题，五态模型新增挂起机制（中级内存调度），将闲置进程换出至外存，释放内存资源。

五大状态

就绪、运行、阻塞、就绪挂起（静止就绪）、阻塞挂起（静止阻塞）

五态完整流转图

// 内存常规流转 就绪态 ——(调度选中)——> 运行态 运行态 ——(时间片到)——> 就绪态 运行态 ——(IO等待)——> 阻塞态 阻塞态 ——(事件完成)——> 就绪态 // 内存紧张：进程换出外存（挂起） 就绪态 ——(内存不足)——> 就绪挂起 阻塞态 ——(内存不足)——> 阻塞挂起 // 内存充足：进程调入内存（激活） 就绪挂起 ——(内存空闲)——> 就绪态 // 唯一特殊跨态转换 阻塞挂起 ——(事件在外存完成)——> 就绪挂起

• 就绪挂起：进程具备运行条件，驻留外存，缺内存资源

• 阻塞挂起：进程等待事件，同时驻留外存

• 所有挂起态进程无法直接进入运行态

• 特殊转换：阻塞挂起 → 就绪挂起（无需调入内存，事件直接完成）

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三、进程资源图

1.什么是进程资源图

进程资源图是用于直观表示进程与资源之间分配、请求关系的图形工具，是操作系统死锁章节必考内容，可快速判断系统是否发生死锁。

图形符号规范：

• 圆形：代表进程 P图中 P1、P2、P3 均为进程节点。

• 矩形：代表资源 R矩形内部圆球数量 = 该类资源总数量

  • 示例：R1 框内 2 个圆球 → 系统共有 2 个 R1 资源；

  • R2 框内 3 个圆球 → 系统共有 3 个 R2 资源。

• 资源→进程 的箭头（分配边）含义：该资源已分配给对应进程。例：R1 指向 P1 = 1 份 R1 资源分配给 P1。

• 进程→资源 的箭头（请求边）含义：该进程还需要申请一份对应资源才能继续执行。例：P1 指向 R2 = P1 需要请求 1 个 R2 资源。

2.阻塞节点判断

• 阻塞节点定义：进程当前申请的资源已全部分配完毕、无剩余可用资源，进程无法拿到资源，进入阻塞等待状态。文中示例：P2 为阻塞节点。
• 非阻塞节点：进程申请的资源仍有剩余空闲资源，系统可分配资源，进程能继续运行。文中示例：P1、P3 为非阻塞节点。

四、信号量

P操作：申请资源，S=S-1，若S>=0，则执行P操作的进程继续执行；若S<0，则置该进程为阻塞状态（ 因为无可用资源），并将其插入阻塞队列。

V操作：释放资源，S=S+1，若S>0，代表此时资源有空余，没有阻塞的进程，则该进程继续执行；若 S<=0，代表此时线程在被阻塞，所以需要从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列（此时因为缺 少资源被P操作阻塞的进程可以继续执行），然后执行V操作的进程继续。

五、前驱图

前趋图：用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系，具体如下图：

图中，ABC可以并行执行，但是必须ABC都执行完后，才能执行D，这就确定了两点：任务间的并行、任务间的先后顺序。

六、进程三级调度与调度算法

1. 三级调度体系

• 高级调度（作业调度）：外存作业调入内存，仅批处理系统存在，调度频率最低

• 中级调度（内存调度）：负责进程挂起/激活，内外存置换，缓解内存压力

• 低级调度（进程调度）：分配CPU资源，调度频率最高、最核心

2. 四大经典调度算法（优劣对比）

调度算法	核心特点	优点	缺点	适用场景
FCFS先来先服务	按到达顺序依次执行	公平简单、无饥饿	短作业等待久、吞吐量低	批处理系统
SJF短作业优先	优先执行运行时间短的进程	吞吐量高、资源利用率高	长作业饥饿、无法预知时长	后台批处理
RR时间片轮转	固定时间片轮换占用CPU	响应快、多用户公平	时间片过小开销大	分时操作系统
优先级调度	高优先级进程优先抢占CPU	关键任务优先、响应及时	低优先级进程易饥饿	实时操作系统

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七、进程同步与互斥

1. 同步与互斥定义

• 互斥：多个进程不能同时访问临界资源，排他性访问（如打印机、共享变量）

• 同步：多个进程按固定先后顺序协同执行，存在执行时序约束

2. 信号量初值规则

• 互斥信号量：初值固定为1，保证临界资源唯一访问

• 同步信号量：初值为初始可用资源数量，用于控制进程执行顺序

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八、死锁原理与银行家算法（案例题重难点）

1. 死锁定义

多个并发进程互相持有对方所需资源，互相无限等待，所有进程无法推进，陷入永久阻塞状态。

2. 死锁四大必要条件（Coffman条件，必须同时满足）

• 互斥条件：资源独占访问，不可共享

• 持有并等待：进程已持有资源，同时等待其他资源

• 不可剥夺：资源只能主动释放，无法强制抢占

• 环路等待：进程资源依赖形成闭环链路

💡 核心结论：产生死锁必须同时满足四条件；预防死锁只需破坏任意一个条件。

3. 死锁四种处理策略

• 预防死锁：事前破坏四大条件之一，开销大、资源利用率低

• 避免死锁：事前动态预判安全序列，经典算法：银行家算法

• 检测与解除死锁：事后检测，通过撤销进程、剥夺资源解除死锁

• 忽略死锁：默认死锁概率极低，家用系统主流方案

4. 银行家算法核心逻辑（软考案例必考）

核心作用：动态分配资源，预判系统是否存在安全序列，避免死锁发生。

执行步骤

1. 计算每个进程剩余资源最大需求（Max - Allocation）

2. 判断当前系统剩余资源 Available 是否满足进程剩余需求

3. 满足则分配资源，执行完成后回收进程全部资源

4. 遍历所有进程，若能全部执行完毕，系统为安全状态，无死锁风险

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九、高频易错总结

1. 进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位，二者不可混淆。

2. 三态转换无：就绪→阻塞、阻塞→运行，考试高频纠错点。

3. 分时系统靠时间片轮转，实时系统靠优先级抢占调度。

4. 互斥信号量初值为1，同步信号量初值为资源数。

5. 银行家算法是避免死锁，不是预防死锁。

6. 死锁四条件同时成立才会死锁，破坏任意一条即可预防。

7. 单CPU系统微观串行，任一时刻最多只有一个进程处于运行态。

下期预告：系统架构师备考：操作系统基础 | 存储管理

系统架构师备考：操作系统基础 | 存储管理