进程与线程详解：操作系统的并发基石

在现代操作系统中，进程与线程是核心概念，它们对于理解和设计高效系统的性能至关重要。本章节由授课教师江兰帆讲解，邮箱地址为jiang_lanfan@126.com，主要涵盖以下几个关键知识点： 1. **进程**： - **进程模型**：进程被视为一个独立的执行实体，拥有自己的内存空间和系统资源。 - **创建**：进程通过系统调用创建，通常包含执行指令的程序、数据和进程控制块（PCB）。 - **终止**：进程在执行完毕或遇到异常后，操作系统会清理其资源并关闭进程。 - **层次结构**：进程可以构成层次结构，如父进程和子进程，以及进程间的交互关系。 - **状态**：进程可能处于多种状态，如新建、运行、就绪、阻塞和终止等。 - **实现**：进程在操作系统层面由内核进行管理，可通过中断机制、系统调用接口等实现。 2. **线程**： - 线程是进程中的轻量级执行单元，一个进程可以包含多个线程，共享同一份代码和数据。 - 线程的创建和管理更为灵活，可以更高效地利用处理器资源。 - **调度**：线程调度涉及到CPU时间片分配，确保每个线程有机会运行。 3. **进程间通信（IPC）**： - 在多任务环境中，进程间通信是必要的，包括共享内存、消息传递、管道、套接字等多种方式。 - **经典IPC问题**：涉及数据安全、同步和互斥等问题，如何有效地在不同进程间传递和管理数据。 4. **并发与并行**： - 并行强调在同一时间点上多个实体同时执行，如硬件并行处理器； - 并发则允许多个程序在宏观上同时运行，但微观上按顺序执行，如分时系统中的多个任务交替执行。 5. **程序并发执行**： - 多个程序同时运行，共享资源，可能出现竞态条件，如示例中程序A和B共享变量N导致的不同结果。 - 并发执行要求正确管理并发控制原语和同步机制，以保证程序的正确性和一致性。 6. **总结**： - 本章节探讨了进程与线程在操作系统中的基础概念，以及它们在并发执行中的作用和挑战，是理解操作系统核心原理的重要基础。 通过学习这些内容，学生能够深入理解操作系统如何管理和调度进程和线程，以及如何通过并发和并行技术优化系统性能。同时，了解并发编程中的问题及其解决方案对于软件开发者来说也极为实用。