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进程与线程：02 多进程图像

news 来源：原创 2025/7/23 8:37:36

多进程图像的起源与核心地位

上节课我们开启了对操作系统核心概念——多进程图像的学习，探讨了其产生的原因。操作系统的核心职责之一是管理CPU，CPU作为实现取指执行的硬件自动化部件，只有执行取指操作（即取出并执行程序指令）才能开始工作。由于执行中的程序与静态程序存在本质差异，我们引入“进程”概念。简单来说，启动一个进程让CPU运行，CPU便开始工作，但为提升CPU工作效率，需多个进程交替执行，这种交替执行的状态就是多进程图像。

上节课已明晰多进程图像的基本形态与成因，今天将深入探究操作系统如何支持多进程图像，主要涵盖两个方面：其一，多进程图像的具体模样，能否以图形呈现，如何观察与捕捉，稍后将通过实例展示操作系统中的多进程图像；其二，操作系统为实现多进程图像需完成的关键任务，我们先简要概述，后续课程详细展开。多进程图像作为操作系统核心，若得到有效支持，操作系统的主体功能便得以实现，后续诸多内容将围绕此核心展开，今天先做宏观铺垫。

多进程图像的直观呈现

接下来，我们认识一下操作系统中多进程图像的具体形态。从直观角度，多进程图像即多个进程同时运行的状态，可用图形简单示意。例如，绘制三条直线分别代表三个进程，每个进程标注唯一ID与对应名称，如下图所示：
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从上层用户视角，系统中存在ID为1、2、3的三个进程，用户可将其与具体应用关联，如ID为1的进程对应PPT程序，ID为2的对应Word程序，ID为3的对应MP3播放器。用户使用计算机的过程，本质就是启动这些进程，这便是多进程图像给用户的直观感受。

在操作系统底层，启动进程后需对其进行管理与记录。操作系统通过创建PCB（进程控制块）结构体实现这一目的，每个PCB记录对应进程的运行状态、执行进度等关键信息。基于这些信息，操作系统能合理有序推进进程，例如MP3播放结束后及时切换到PPT演示。

底层操作系统借助PCB有序推进多个进程，使用户感知到多进程同时运行，计算机得以高效利用，满足用户需求，这便是多进程图像的完整呈现。用户通常关注进程执行效率，若进程运行缓慢或卡顿，将影响使用体验。因此，多进程图像对用户与操作系统至关重要，是操作系统的核心所在。此外，多进程图像贯穿系统启动到关机的整个生命周期，进一步佐证了其核心地位。
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系统启动时，最后执行main.c中的main函数，随后执行fork函数。main函数完成初始化并执行一系列init函数后，通过fork系统调用启动新进程，新进程执行init，最终执行shell（Windows系统中则是启动桌面）。用户使用计算机时，每输入一条命令，操作系统便创建新进程执行该任务，如执行ls命令就创建对应进程。用户执行任务的过程，本质是操作系统创建进程完成任务，任务结束后，shell继续等待下一个任务，期间可能启动更多进程。计算机解决实际问题依赖进程的启动与执行，进程推进效果直接决定任务执行优劣。

以Windows系统为例，打开任务管理器，可直观看到众多进程，每个进程名称对应启动的程序或任务，如explorer对应浏览器，taskmgr对应任务管理器（任务管理器本身也是一个进程）。在此界面中，能清晰观察到系统中进程的运行状态，它们不断推进、执行，新进程持续创建，部分后台系统服务进程也在运行。当计算机运行缓慢时，通过任务管理器查看CPU利用率高的进程，是排查问题的有效方式，这也体现了多进程图像在操作系统中的核心地位——用户使用计算机本质是多进程协同工作，计算机性能问题常与进程运行状态相关。用户使用计算机时无需关注硬件细节，启动相应进程即可完成任务，结束进程则可停止操作，操作系统通过管理进程实现对计算机使用的控制。

操作系统支持多进程图像的关键任务

进程的组织与状态管理

操作系统对进程的感知与组织完全依赖PCB，通过PCB构建队列等数据结构实现多进程管理。合理组织进程是确保其有序推进、计算机正常运行的基础。不同状态的进程，其PCB存放在不同队列，如就绪队列、等待队列。由于CPU同一时间仅能执行一个进程，其他进程要么在就绪队列等待调度，要么处于等待状态（如等待磁盘读写）。
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可依据进程状态将其分为运行态、就绪态和等待态（阻塞态），类比食堂打饭场景：正在打饭的人对应运行态进程，排队等待的人对应就绪态进程，因寻找饭卡等原因暂停的人对应等待态进程。通过绘制进程状态转化图，可清晰呈现进程状态变化过程：就绪态进程经操作系统调度变为运行态；运行态进程遇资源等待情况（如找不到饭卡）转变为阻塞态；阻塞态进程在等待事件完成后，被操作系统放回就绪队列，在合适时机再次进入运行态，实现进程持续推进。
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进程的交替与调度

多个进程交替推进是多进程图像的关键，切换机制则是核心。若无进程切换，多进程图像便失去意义。以进程启动磁盘读写为例，启动后进程需等待磁盘操作完成，此时变为阻塞态，操作系统将其放入阻塞磁盘等待队列。
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进程切换的核心是schedule函数，负责完成上下文切换。切换时，先从就绪队列选择下一个进程，再依据当前进程与下一个进程的PCB进行操作。从就绪队列选择进程的过程称为调度，后续课程将详细讲解调度策略，此处先介绍两种简单方法：一是先来先服务（FIFO）调度，如同食堂排队，先到者先接受服务；二是优先级调度，例如银行中短任务可优先执行。
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进程切换类似看书时被打断，需先保存当前进程执行现场（存入结构体），如同记住书看到的位置，再恢复下一个进程状态信息到CPU，完成切换。因需精确控制，此过程通常需使用汇编代码，C代码难以实现。
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进程间的相互影响与处理

多个进程同时存在于内存中，只有内存中的进程可被CPU取指执行，但这会引发一系列问题。例如，进程一代码将ax置为100，该地址可能与进程二内存地址冲突，导致进程二数据被修改甚至崩溃。由于用户态程序中dpi（数据项指针）和cpi（控制项指针）访问无限制，无法通过常规方式解决。
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解决内存冲突的方法是通过映射表实现地址分离，每个进程拥有独立映射表。
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例如，进程一逻辑地址100对应物理内存地址780，进程二逻辑地址100对应物理内存地址1260，即便进程中地址相同，映射到物理内存后也相互独立，实现内存分离，确保多进程安全共存与交替执行。
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此外，多进程间有时需合作，如打印进程。Word程序将打印内容写入打印队列，打印进程再从队列读取内容打印，这便是进程间合作。若缺乏有效管理，多进程交替执行可能引发混乱。例如，进程一和进程二同时发现打印队列第7个位置空闲并写入内容，将导致数据混乱。
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此问题可抽象为生产者 - 消费者问题，生产者进程向共享缓冲区写入内容，消费者进程从中读取。为确保二者有序合作，引入共享变量counter记录缓冲区状态。当缓冲区满（counter等于buffsize ）时，生产者进程进入死循环等待；缓冲区未满时，生产者可写入并更新counter。
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多进程交替执行时，counter操作易出现问题。例如，初始counter等于5，生产者执行counter加1，消费者执行counter减1，因进程执行可能被中断切换，可能导致counter实际值与预期不符。
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解决此问题需使用进程同步机制，如生产者操作counter前上锁，确保操作期间不被其他进程中断，操作完成后解锁，此时消费者方可进行操作，实现进程间有序合作。
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本次课程介绍了多进程图像的概念、表现形式，阐述了操作系统通过PCB感知与管理进程的方式，明确其在操作系统中的核心地位，并结合Windows系统任务管理器实例展示。同时，探讨了操作系统支持多进程图像需解决的关键问题，包括进程组织、交替调度、地址分离和同步合作等，这些内容将在后续课程深入讲解。
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