主题
第二章 进程与线程：CPU 的虚拟化起点
1. 从一个问题出发：一个 CPU 怎么"同时"跑一百个程序
上一章说过，操作系统最重要的魔术是虚拟化。这一章讲第一个魔术：CPU 虚拟化。
机器上可能只有 4 个 CPU 核心，但你同时开着浏览器、音乐、聊天软件和几十个后台服务。操作系统的做法不是变出更多 CPU，而是让 CPU 快速轮流：每个程序跑几毫秒就被暂停，换下一个上场。切换足够快，人的感官就以为大家在同时运行。
要实现"暂停一个程序、以后还能原样恢复"，操作系统必须回答一个问题：一个正在运行的程序，到底由哪些状态组成？暂停时要把什么存起来？ 对这个问题的完整回答，就是"进程"这个概念。
2. 程序 vs 进程：静态与动态的区别
程序是躺在磁盘上的一个可执行文件，是一段静态的指令和数据，像一份菜谱。
进程（process）是程序被加载进内存、跑起来之后的那个"活的执行过程"，像照着菜谱做菜的整个动态过程——有进度、有中间状态、会占用炉灶和食材。
| 对比项 | 程序 | 进程 |
|---|---|---|
| 性质 | 静态的文件 | 动态的执行过程 |
| 生命周期 | 长期存在于磁盘 | 有创建、运行、消亡的过程 |
| 与资源的关系 | 不占用 CPU、内存 | 占用内存、CPU 时间、打开的文件等 |
| 数量对应 | 一个程序 | 可对应多个进程，同一程序可同时运行多份 |
考试高频表述："进程是程序的一次执行"，"进程 = 程序 + 数据 + PCB"。要点是动态性：进程有生命周期，程序没有。同一个浏览器程序开三个窗口，可能就是三个进程。
进程的几个教材级特征：动态性（最基本特征）、并发性、独立性（资源分配和调度的基本单位）、异步性（走走停停、推进速度不可预知）。
3. 进程由什么组成：PCB 与地址空间
3.1 PCB：进程的"身份证 + 病历本"
操作系统要管理成百上千个进程，必须为每个进程建立一份档案，这份档案叫进程控制块（PCB, Process Control Block）。PCB 是进程存在的唯一标志——创建进程本质上就是创建 PCB，撤销进程就是回收 PCB。
PCB 里主要记四类信息：
| 类别 | 内容举例 | 用途 |
|---|---|---|
| 标识信息 | 进程号 PID、父进程号、用户 | 认出这是谁 |
| 现场信息 | 程序计数器、通用寄存器、状态字 | 暂停后能原样恢复 |
| 控制信息 | 当前状态、优先级、队列指针 | 调度时决定谁上场 |
| 资源清单 | 内存指针（页表位置）、打开的文件、占用的设备 | 记账与回收 |
一句话点透：CPU 虚拟化的秘密全在 PCB 里——把寄存器现场存进 PCB，进程就"冻结"了；把 PCB 里的现场装回寄存器，进程就"解冻"继续跑，它自己毫无察觉。
3.2 地址空间布局：进程眼中的内存
每个进程都以为自己独占一条从低地址到高地址的完整内存，典型布局如下：
记两个方向：栈向低地址方向生长，堆向高地址方向生长，两者相向而行。代码区只读且可被同一程序的多个进程共享。这张图第五章讲内存管理时还会用到。
4. 进程的状态：三态与五态模型
4.1 为什么至少需要三个状态
进程不是"要么在跑、要么没跑"这么简单。关键洞察是：没在跑的进程分两种情况——一种是"万事俱备只差 CPU"，另一种是"就算给它 CPU 也没法跑，因为它在等磁盘、等输入"。这两种必须分开，否则调度器会把 CPU 白白分给一个还在等数据的进程。
于是有了三个基本状态：
- 运行态：正占着 CPU 执行。单 CPU 下同一时刻最多一个进程处于运行态。
- 就绪态：只差 CPU，其他条件全齐，排队等调度。
- 阻塞态（等待态）：在等某个事件（如 I/O 完成），此时给它 CPU 也没用。
4.2 状态迁移图：每条边为什么存在
逐条边解释"为什么"：
| 迁移 | 触发原因 | 主动还是被动 |
|---|---|---|
| 就绪 → 运行 | 调度程序选中它 | 被动，由操作系统决定 |
| 运行 → 就绪 | 时间片到、被抢占 | 被动，进程自己并不想让 |
| 运行 → 阻塞 | 进程自己请求等待某事件 | 主动，只能由运行中的进程自己发起 |
| 阻塞 → 就绪 | 所等事件发生 | 被动，由中断处理程序或其他进程唤醒 |
哪些迁移不可能发生，这是选择题最爱：
- 阻塞 → 运行：不可能直接发生。事件完成后必须先回就绪队列排队，能不能马上上 CPU 要看调度。
- 就绪 → 阻塞：不可能。阻塞是"运行中发现要等东西"才发生的，一个没在运行的进程无从提出等待请求。
一句话点透：变阻塞必是自己的选择，脱离阻塞必靠别人唤醒。
4.3 五态模型：加上创建与终止
三态之外，再加"创建态"（正在分配 PCB 和资源，尚未准备好）和"终止态"（已结束但 PCB 尚未回收，留着给父进程查退出状态），就是五态模型。有的教材还引入挂起（进程被换出到磁盘），形成七态，考试一般点到为止：挂起是"进程整体暂时搬出内存"，与阻塞（在内存中等事件）是两个维度。
5. 进程的创建与终止
创建一个进程，操作系统要做四件事：分配唯一 PID 并建立 PCB → 分配内存等资源 → 加载程序代码和数据 → 把 PCB 挂入就绪队列。典型创建时机：系统初始化、用户命令启动、正在运行的进程调用"创建子进程"的系统调用（如 UNIX 的 fork）、批处理作业被调度装入。
终止分三类：正常结束（程序跑完主动退出）、异常结束（除零、非法内存访问等错误被内核强制终止）、外界干预（用户或父进程发出终止命令）。终止时内核回收其内存、关闭其文件，最后撤销 PCB。
父子关系值得记一句：子进程可以继承父进程的资源；父进程被撤销时，有的系统会级联撤销全部子孙进程。
6. 线程为什么被发明
进程用了很多年之后，人们发现两个痛点：
痛点一：进程切换太贵。 切换进程要保存和恢复全套现场，还要切换地址空间（换页表、冲刷 TLB 缓存），开销可观。如果一个网页浏览器想同时"下载图片 + 渲染页面 + 响应点击"，为每件事开一个进程，切换成本高得离谱。
痛点二：进程之间共享数据太难。 进程的设计初衷就是互相隔离，各有各的地址空间。可上面三件事偏偏要频繁共享同一份网页数据，跨进程传数据既慢又麻烦。
反思一下会发现，进程这个概念其实捆绑了两种职责：
- 资源的容器：地址空间、打开的文件、设备——这些是"财产"。
- 执行的流：程序计数器、寄存器、栈——这些是"干活的人"。
线程（thread）就是把这两者拆开：让一个资源容器（进程）里可以住多个执行流（线程）。同一进程的多个线程共享地址空间和打开的文件，但各自有自己的程序计数器、寄存器和栈。
一句话点透：进程是资源分配的基本单位，线程是 CPU 调度的基本单位——这句话是全章最高频考点，务必一字不差记住。
7. 进程 vs 线程：全维度对照表
| 对比维度 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 定义角色 | 资源分配和保护的基本单位 | 处理机调度的基本单位 |
| 地址空间 | 各自独立 | 同进程内所有线程共享 |
| 拥有资源 | 拥有内存、文件、设备 | 基本不拥有资源，只有栈、寄存器等运行必需品 |
| 切换开销 | 大：换地址空间、刷缓存 | 小：不换地址空间，只换现场和栈 |
| 通信方式 | 需要专门的进程间通信机制，如管道、消息、共享内存 | 直接读写共享变量即可，但需要同步 |
| 隔离与健壮性 | 一个进程崩溃通常不影响他人 | 一个线程崩溃可能拖垮整个进程 |
| 创建销毁开销 | 大 | 小 |
注意最后一行的反面含义：线程共享带来了效率，也带来了脆弱——隔离性是进程的优势，共享性是线程的优势，两者是同一枚硬币的两面。第四章讲并发问题时，祸根正是线程间的共享。
8. 用户级线程 vs 内核级线程
线程可以由谁来管理？两种方案：
用户级线程：线程的创建、切换、调度全部由用户空间的线程库完成，内核根本不知道线程的存在，只看得见进程。
内核级线程：线程由内核直接管理，内核为每个线程建立控制块，调度以线程为单位。
| 对比项 | 用户级线程 | 内核级线程 |
|---|---|---|
| 内核是否感知 | 不感知 | 感知 |
| 切换开销 | 极小，不用进内核态 | 较大，需要陷入内核 |
| 一个线程阻塞时 | 整个进程全部线程被拖住 | 只阻塞该线程，其他线程照常调度 |
| 能否利用多核 | 不能，内核只给该进程一个 CPU | 能，多个线程可同时在多核上跑 |
| 调度自主权 | 应用可自定义调度策略 | 由内核统一调度 |
记忆抓手：用户级线程"便宜但瞎"——切换便宜，但内核瞎、看不见线程，一人阻塞全家等待；内核级线程"贵但明"——切换贵，但内核明察秋毫，能并行、能单独阻塞。现代主流系统（Linux、Windows）以内核级线程为主，也存在两者组合的多对多模型。
9. 上下文切换到底切换了什么
上下文（context）就是"恢复执行所需的全部现场"。上下文切换的完整流程：
切换内容按"进程切换"与"线程切换"区分：
| 切换内容 | 同进程内线程切换 | 进程切换 |
|---|---|---|
| 寄存器、程序计数器、栈指针 | 要切 | 要切 |
| 内核中的调度信息 | 要切 | 要切 |
| 地址空间（页表） | 不切，这正是线程切换便宜的原因 | 要切 |
| TLB、缓存的有效性 | 基本不受影响 | 可能大量失效，隐性成本高 |
另外注意：上下文切换本身是纯开销——切换期间 CPU 没有为任何用户程序干活。切换太频繁，系统就会把大量时间浪费在"换人"而不是"干活"上，这为第三章讨论时间片大小埋下伏笔。
10. 本章要点回顾
| 主题 | 必须记住的结论 |
|---|---|
| 程序与进程 | 程序静态、进程动态；进程 = 程序的一次执行 |
| PCB | 进程存在的唯一标志，存放标识、现场、控制、资源四类信息 |
| 三态模型 | 就绪差 CPU，阻塞差事件；阻塞不能直达运行，就绪不能直达阻塞 |
| 主动与被动 | 运行→阻塞是进程主动的，其余迁移都是被动的 |
| 线程的动机 | 进程切换贵 + 共享数据难，拆出"执行流"单独成为调度单位 |
| 核心口诀 | 进程是资源分配的基本单位，线程是 CPU 调度的基本单位 |
| 用户级 vs 内核级线程 | 用户级便宜但一人阻塞全家等、不能用多核；内核级相反 |
| 上下文切换 | 线程切换不换地址空间，所以便宜；切换本身是纯开销 |
11. 做题提醒
- "阻塞态的进程等到事件完成后直接投入运行"——错，必须先回就绪态排队。
- "就绪态的进程可以转为阻塞态"——错，只有运行中的进程才能提出等待请求。
- 单 CPU 系统中，处于运行态的进程最多 1 个，但就绪、阻塞态的进程可以有多个。
- "同一进程的各线程共享栈空间"——错，栈是线程私有的；共享的是代码、全局数据、堆和打开的文件。
- 时间片用完后进程进入就绪态而不是阻塞态——它没有在等任何事件，只是暂时没了 CPU。
- 判断切换开销的题目：同进程内线程切换 < 跨进程切换，根本原因是是否需要切换地址空间。