进程管理：信号量与同步机制

运行"或"活动")状态 等待(Waiting或Blocked)状态 在操作系统中，进程的状态主要有三种：就绪、执行和等待。当进程准备就绪，等待CPU资源时，它处于就绪状态。当进程正在处理器上执行时，它处于执行状态。如果进程因等待某个事件（如I/O操作完成）而被暂停，它就会进入等待状态。进程在这些状态之间会根据系统资源的可用性和进程间的交互进行转换。 2.4 信号量 信号量是进程同步的重要工具，由荷兰学者E.W.Dijkstra提出。它是一个整数值，用于管理对共享资源的访问。信号量分为两种操作：P操作（Wait或DOWN操作）和V操作（Signal或UP操作）。P操作主要用来申请资源，如果信号量的值大于0，进程可以继续执行并减少信号量值；如果信号量值等于0，进程会被阻塞，进入等待队列。V操作则是释放资源，增加信号量的值，并可能唤醒等待的进程。 2.4.1 整形信号量 整形信号量初始可以设置为非负值，仅通过P和V操作进行访问。P操作会尝试消耗一个资源（即减信号量），如果资源充足则继续执行，否则进程会被挂起。V操作则是释放一个资源（即增信号量），可能唤醒等待的进程。这种机制可以有效地防止多个进程同时访问共享资源，实现互斥访问。 2.1.4 进程组成 进程由三部分组成：程序代码、进程上下文和进程控制块（PCB）。程序代码是进程要执行的指令集合，进程上下文包括进程的当前状态、寄存器值、内存映射等，PCB是操作系统用来管理和调度进程的关键数据结构，包含了进程的状态、优先级、资源分配情况等信息。 2.1.5 进程控制块和进程队列 每个进程都有一个对应的PCB，操作系统通过PCB来管理和调度进程。根据不同的状态，进程会被放入不同的队列，如就绪队列、执行队列和等待队列。 2.2 线程 线程是进程内的一个执行单元，是更轻量级的进程，它们共享同一地址空间和资源，线程切换比进程切换更快，因此在多核处理器系统中，线程并行执行可以提高系统效率。 2.3 进程同步 进程同步是指多个进程在执行过程中，通过某种方式协调彼此的执行次序，以达到预期的正确结果。信号量机制是实现进程同步的一种有效方法，除此之外还有其他同步机制，如管程、条件变量等。 2.5 进程间通信 进程间通信（IPC）是进程间交换数据的方式，包括管道、消息队列、共享内存、套接字等多种机制。 2.6 进程调度 进程调度是操作系统的核心功能之一，负责选择一个就绪进程并将其分配到CPU执行。调度算法有多种，如先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转等，目标是优化系统的整体性能和响应时间。 2.7 死锁 死锁是当两个或多个进程相互等待对方释放资源，导致它们都无法继续执行的情况。解决死锁的方法包括预防、避免和检测恢复策略。 总结来说，本章深入介绍了操作系统中进程管理的相关概念，包括进程的定义、特性、状态转换，以及如何使用信号量实现进程同步和互斥，还涵盖了线程、进程间通信、进程调度和死锁等关键主题。通过学习这些内容，读者将能够理解和掌握操作系统如何高效地管理并发执行的进程。