【软考中级软件设计师】进程管理

目录

一、进程的概念（进程是什么？）

二、进程的作用（为什么需要进程？）

三、进程管理状态转换原理（进程是怎么运作的？）

基础五状态模型

扩展七状态模型

四、进程管理之同步异步机制

同步机制（Synchronous）

异步机制（Asynchronous）

经典问题解决方案

五、进程管理之互斥信号量机制

互斥机制的黄金法则

临界区原则（四大条件）

信号量机制

1. 信号量（Semaphore）

2、原语（Primitive）

3. P/V 操作详解（软考核心考点）

软考真题

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一、进程的概念（进程是什么？）

进程（Process）是操作系统中最核心的概念之一，是程序的一次动态执行过程

• 进程：程序在内存中的执行实例（动态实体），包含：

  • 代码段（Text）

  • 数据段（Data）

  • 堆栈（Stack/Heap）

  • 程序计数器（PC）

  • 寄存器状态

  • 资源（如打开的文件）

比喻：程序像乐谱，进程像是乐队按照乐谱进行的演奏。

二、进程的作用（为什么需要进程？）

操作系统引入进程主要解决三大问题：

1. 并发性：使多个程序能"同时"运行（宏观并行，微观串行）

2. 资源隔离：每个进程有独立的地址空间，防止相互干扰

3. 效率提升：当某进程等待I/O时，CPU可执行其他进程

典型案例：浏览器同时打开多个标签页时，每个标签页可能对应一个独立进程。

三、进程管理状态转换原理（进程是怎么运作的？）

基础五状态模型

下图是操作系统中最经典的进程状态划分，适合理解基本调度原理。

状态组成：

1. 新建（New）

   • 进程刚被创建（如通过fork()）

   • 尚未完成资源分配

2. 就绪（Ready）

   • 已获得除CPU外的所有资源

   • 等待被调度器选中

   • 特点：可能有多个进程处于此状态形成就绪队列

3. 运行（Running）

   • 正在CPU上执行指令

   • 单核CPU同一时刻只有一个进程处于此状态

4. 阻塞/等待（Blocked/Waiting）

   • 因等待I/O、信号等事件暂停执行

   • 典型场景：读取磁盘、等待网络响应

5. 终止（Terminated）

   • 进程执行完毕或被强制终止

   • 资源尚未完全释放（操作系统保留退出状态码）

扩展七状态模型

在五状态基础上增加 挂起（Suspend）概念，解决内存不足时的进程管理问题。

新增状态：
6. 就绪挂起（Ready Suspended）

• 进程数据被交换到磁盘

• 特点：只要载入内存即可立即运行

7、阻塞挂起（Blocked Suspended）

• 阻塞状态的进程被换出到磁盘

• 特点：即使等待事件发生，也需先换入内存

挂起操作的触发场景：

• 内存不足：将暂时不运行的进程换出到磁盘

• 用户干预：手动挂起进程（如Linux的Ctrl+Z）

• 调试需求：暂停进程检查状态

状态转换新增路径：

• 就绪 ↔ 就绪挂起：由内存管理器控制

• 阻塞 ↔ 阻塞挂起：当阻塞进程长期无响应时

• 阻塞挂起 → 就绪挂起：等待的事件发生时

比喻：假设你是一家餐厅的调度经理，外卖小哥就是"进程"，他们的工作流程完美对应进程状态：

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1. 五状态模型版

•  新员工今天第一天入职，刚领到工牌和工作服（新建分配基本资源）

• 小哥在餐厅待命，手机充好电、餐箱清空（资源齐全），等调度员派单（就绪等待CPU）

• 小哥正在骑车送A订单（运行占用CPU执行任务）

•  到达A顾客楼下发现电梯坏了，被迫在楼下等维修（阻塞等待I/O资源）

• 送完订单后回餐厅打卡下班（终止释放所有资源）

状态转换示例：

1. 接单 → 骑车送餐（就绪→运行）

2. 送餐途中等红灯（运行→阻塞）

3. 红灯变绿灯继续骑行（阻塞→就绪→运行）

4. 送完这单接新单（运行→就绪）

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2. 七状态模型升级版

新增两种特殊情况：

• 中午高峰过后，部分小哥被临时派去仓库整理货架（就绪挂起内存不足，进程被换出到磁盘）

•  有个小哥在等顾客下楼取餐时（阻塞），突然被叫回餐厅帮厨（阻塞挂起人带车被"换出"）

新增场景：

1. 仓库的小哥突然被叫回来送急单（就绪挂起→就绪）

2. 帮厨的小哥听到顾客终于来了（阻塞挂起→阻塞→就绪）

四、进程管理之同步异步机制

同步机制（Synchronous）

1. 核心特征：

   • 调用方必须等待操作完成才能继续执行

   • 执行流严格按照代码顺序进行

   • 典型表现为阻塞式等待

异步机制（Asynchronous）

1. 核心特征：

   • 调用方发出请求后立即继续执行

   • 通过回调/事件通知获取结果

   • 非阻塞式执行流

经典问题解决方案

1. 生产者-消费者问题：

   • 同步方案：使用互斥锁+条件变量

   • 异步方案：用消息队列（如Kafka）

2. C10K问题：

   • 同步阻塞模型：每个连接一个线程（资源耗尽）

   • 异步非阻塞模型：单线程事件循环（Node.js方案）

五、进程管理之互斥信号量机制

就像公共厕所的隔间，同一时间只允许一个人使用（临界资源），其他人必须在门口等待（阻塞）直到里面的人出来（释放）。

互斥机制的黄金法则

临界区原则（四大条件）

1. 互斥进入：任何时候最多一个进程在临界区内

2. 有限等待：请求进入的进程应在有限时间内获得许可

3. 空闲让进：临界区空闲时必须立即允许进入

4. 让权等待：当进程不能进入临界区时，应立即释放CPU（而非忙等待）

常见错误模式

• 死锁：A等B，B等A

• 活锁：进程不断重试但无法前进

• 饥饿：某些进程始终得不到资源

信号量机制

1. 信号量（Semaphore）

定义：
信号量是一种用于进程/线程同步与互斥的机制，由 Dijkstra 提出，本质是一个整型变量 + 等待队列，通过 P（wait） 和 V（signal） 两个原子操作来控制资源访问。

作用：

• 互斥访问（二进制信号量）：确保同一时间只有一个进程访问临界资源（如打印机）。

• 同步控制（计数信号量）：管理有限资源的分配（如数据库连接池）。

2、原语（Primitive）

定义：
原语是指操作系统提供的、不可中断的原子操作，执行过程不会被调度打断，常用于实现同步机制（如信号量的 P/V 操作）。

特点：

• 原子性：执行过程不可分割，要么全部执行，要么完全不执行。

• 不可抢占：执行期间不会被其他进程/线程打断。

3. P/V 操作详解（软考核心考点）

P/V 操作是信号量的核心，由 Dijkstra 提出，名称来源于荷兰语：

• P（Proberen，尝试）：申请资源（wait）

• V（Verhogen，增加）：释放资源（signal）

软考真题

1. （2016年下半年例题）假设系统中有n个进程共享3台扫描仪，并采用PV操作实现进程同步与互斥。若系统信号量S的当前值为-1，进程P1、P2又分别执行了一次P(S)操作，那么信号量S的值应为___。
   解答：
   根据PV操作概念中P操作公式，S=S-1，这里发生两次P操作，那么当前S的值应该为-1减2次操作后等于-3。
2. （2016年上半年例题) 进程P1、P2、P3、P4和P5的前趋图如下图所示：
3. 若用PV操作控制进程P1、P2、P3、P4和P5的并发执行过程，则需要设置5个信号量S1、S2、S3、S4和S5，且信号量S1～S5的初值都等于零。下图中a和b处应分别填入___;c和d处应分别填入___;e和f处应分别填入___。

解答：根据前趋图，P1进程执行完需要通知P2和P3进程，所以需要利用V(S1)和V(S2)操作通知P2和P3进程，所以空a应该填V(S1)和V(S2)，P2进程执行完要通知P4进程，所以空b应该填V(S3)。P3进程运行前需要等待P1进程的结果，所以执行程序前要先利用1个P操作，所以空c应该填P(S2)，而P3进程运行结束需要利用一个V操作通知P5进程，所以空d应该填V(S4)。P4进程执行结束需要利用一个V操作通知P5进程，所以空e处应该填V(S5)，P5进程执行前需要等待P3和P4进程的结果，所以空f处需要两个P操作，那应该填P(S4)和P(S5)。