操作系统进程与线程管理详解

"操作系统课件，包含了关于操作系统中进程、PCB、进程状态转换、信号量机制、管程、高级通信机制、线程及其与进程的比较、用户级线程和内核支持线程实现等内容，适合学习和复习操作系统基础知识。" 在操作系统中引入进程概念是为了更好地管理和调度程序的执行。进程是程序在计算机中的一次动态执行过程，它包含程序、数据及进程控制块（PCB）。引入进程概念可以实现多任务并行，提高系统的资源利用率和响应速度。 PCB（Process Control Block）是操作系统中记录进程状态和控制信息的数据结构，它包括进程ID、内存状态、进程优先级、上下文信息等。因为进程的运行状态和信息都存储在PCB中，所以PCB被认为是进程存在的唯一标志。 进程在运行过程中通常经历三种基本状态：就绪、运行和等待。状态转换的典型原因包括：当进程被调度器选中时，它会从等待状态变为就绪状态；当进程获得CPU资源开始执行时，它从就绪状态变为运行状态；当进程需要等待某个事件（如I/O操作完成）时，它会从运行状态变为等待状态。 信号量机制是一种用于实现进程间同步和互斥的工具。在多进程环境中，若要实现对临界资源的互斥访问，可以通过P（Wait）和V（Signal）操作来管理信号量。当进程想要访问临界资源时，先执行P操作，若信号量值大于0，则减1并继续执行；若值为0，则进程进入等待状态。当其他进程完成对资源的访问后，执行V操作，若发现有等待进程，则唤醒一个进入就绪队列。 管程是由数据结构（包含临界资源）和在该数据结构上的一组操作组成，这些操作是原子的，确保了对资源的互斥访问。典型的管程结构包括管程变量、过程和初始化语句。 高级通信机制主要包括管道、消息队列、共享内存、信号量和套接字等。这些机制使得进程间能够有效地交换信息，协同工作。 引入线程是出于提高系统并发性和效率的考虑。线程是进程中执行的更小的单位，同一进程内的线程可以共享资源，切换成本较低，从而提高了处理器的利用率。 线程和进程的主要区别在于，线程是轻量级的，它们共享进程的资源，而进程拥有独立的资源。线程间的通信和协调更为简便，但并发控制也更复杂。 用户级线程的实现由用户空间的线程库完成，调度和上下文切换不涉及内核，效率高但存在全局阻塞问题，即一个线程的阻塞会导致整个进程阻塞。而内核支持线程的实现则由操作系统内核管理，可以实现更细粒度的调度，但上下文切换开销较大。 内核支持线程的实现方法通常包括两种：一对一模型（每个用户线程对应一个内核线程）和多对一模型（多个用户线程映射到一个内核线程）。一对一模型提供了更好的线程独立性，而多对一模型则减少了内核资源的消耗。