第 2 章 进程管理¶
依据：《操作系统概论（2017年版）》第二章、自学考试大纲及附录答案。编号沿用大纲“考核内容与考核要求”。代码为伪代码，P＝wait，V＝signal。教材说明本章 Linux 内核代码不作为考试内容。
复习导航¶
| 大纲条目 | 层次 | 笔记位置与要求 |
|---|---|---|
| 1.1 顺序执行；1.2 并发执行 | 识记；领会 | 第 1 节：对比特点，解释结果为何可能不同 |
| 2.1 进程定义与结构；2.2 PCB | 识记 | 第 2 节：定义、组成、PCB 的作用与信息 |
| 2.3 三态及转换；2.4 组织 | 识记 | 第 3 节：状态、转换条件、链接与索引 |
| 3.1—3.4 进程控制 | 识记 | 第 4 节：创建、撤销、阻塞、唤醒的条件与步骤 |
| 4.1 内核；4.2 中断定义 | 识记 | 第 5 节：内核功能、中断含义 |
| 4.3 中断处理 | 领会 | 第 5 节：断点、现场、中断入口与返回 |
| 4.4 两种执行态、系统调用；4.5 调用过程 | 识记；领会 | 第 6 节：态转换及系统调用与函数调用的区别 |
| 4.6 时钟体系；4.7 时钟机制 | 识记；领会 | 第 7 节：RTC、PIT、时钟驱动程序 |
| 5.1 线程概念与比较；5.2 线程控制 | 领会 | 第 8 节：进程与线程、两种线程实现、控制过程 |
| 6.1 同步基本概念与四条准则 | 领会 | 第 9 节：临界资源、临界区与协调 |
| 6.2 整型信号量；6.3 记录型信号量 | 综合应用 | 第 10 节：会设初值、写 P/V、跟踪数值和阻塞 |
| 6.4 生产者—消费者、读者—写者 | 综合应用 | 第 11 节：能独立建立同步程序 |
| 6.5 管程及两类应用 | 领会 | 第 12 节：条件变量、缓冲池、哲学家进餐 |
| 6.6 进程通信 | 识记 | 第 13 节：共享存储器、管道、消息缓冲队列 |
程序并发执行后，系统需要保存各次执行的状态，进程及其控制块便承担这一任务。内核通过调度、中断和系统调用管理执行过程，同步与通信机制则处理进程之间的协作关系。线程是在此基础上进一步划分的执行单位。
1 顺序执行与并发执行（1.1、1.2）¶
| 执行方式 | 特点 | 理解 |
|---|---|---|
| 顺序执行 | 顺序性 | 前一操作结束，才能进行后一操作 |
| 顺序执行 | 封闭性 | 在教材的独占资源模型中，运行环境的资源状态仅由本程序改变 |
| 顺序执行 | 可再现性 | 初始条件和环境相同，重复执行得到相同结果 |
| 并发执行 | 间断性 | 因共享有限资源，执行过程可能暂停再继续 |
| 并发执行 | 失去封闭性 | 共享数据和系统状态可由其他进程改变 |
| 并发执行 | 不可再现性 | 缺乏适当控制时，指令交错顺序不同可能产生不同结果 |
并发指多个程序在同一时间间隔内推进；单核上是交替执行，不是同一时刻都在 CPU 上执行。
例如，共享变量 counter 的初值为 0，两个进程各执行一次 counter++。这条语句可能分成“读入寄存器、加 1、写回”三步。两个进程都先读到 0 时，最终值可能是 1；一个进程完成后另一个再读，最终值为 2。高级语言语句不一定是原子操作，并发也不等于必然出错。
2 进程与进程控制块（2.1、2.2）¶
进程定义：进程是允许并发执行的程序在某个数据集合上的运行过程。从结构上看，它由正文段、用户数据段和进程控制块组成，三者共同构成执行环境。
- 正文段：被执行的机器指令。
- 用户数据段：执行时直接操作的数据。
- PCB：描述运行环境，供操作系统管理和控制进程。
某一时刻进程内容的集合称为进程映像。进程的特征是并发性、动态性、独立性、异步性和结构特征。传统未引入线程的模型中，进程既是独立运行的基本单位，也是资源调度分配的基本单位。引入线程后，资源分配单位与调度单位需要分开讨论。
| 比较 | 程序 | 进程 |
|---|---|---|
| 性质 | 静态指令集合 | 程序的一次动态执行过程 |
| 存在时间 | 可长期保存在外存 | 创建后存在，结束时撤销 |
| 实体 | 程序代码 | 正文段、用户数据段、PCB |
| 对应关系 | 同一程序可供多个进程执行 | 一个进程也可先后执行不同程序 |
PCB（Process Control Block）包含描述进程情况及控制运行所需的信息。每个进程有唯一 PCB。PCB 是系统感知进程存在的唯一标志。
| 信息类别 | 主要内容 | 用途 |
|---|---|---|
| 标识符信息 | 本进程、父进程、子进程标识 | 识别进程及关系 |
| 处理机状态信息 | 通用寄存器、PC、PSW、栈指针等 | 保存与恢复执行现场 |
| 调度信息 | 状态、优先级、调度所需数据 | 决定何时运行、运行多久 |
| 控制信息 | 程序和数据地址、同步通信、资源清单、链接指针 | 管理资源、通信及队列 |
多个进程轮流使用同一组 CPU 寄存器。切换进程时，必须保存原进程的寄存器值，再恢复新进程的执行现场。PCB 中的处理机状态信息使进程能够从先前暂停的位置继续运行。
3 三种基本状态与进程组织（2.3、2.4）¶
PCB 保存的进程状态反映了进程当前能否执行。三态模型根据进程是否获得 CPU、是否还需等待其他条件，将其分为就绪、执行和阻塞。
| 状态 | 已满足的条件 | 还在等待什么 |
|---|---|---|
| 就绪态 | 具备运行条件 | CPU |
| 执行态 | 已获得 CPU | 正在执行 |
| 阻塞态 | 因资源或事件暂不能运行 | I/O 完成、数据到达、资源可用等 |
| 转换 | 原因 |
|---|---|
| 就绪 → 执行 | 被调度并获得 CPU |
| 执行 → 就绪 | 时间片用完或被抢占 |
| 执行 → 阻塞 | 等待资源或事件 |
| 阻塞 → 就绪 | 等待条件满足，被唤醒 |
唤醒只会使进程进入就绪态，不会立即运行。三态模型中没有“阻塞→执行”或“就绪→阻塞”的基本转换。单 CPU 同时只能有一个进程执行，N 个 CPU 最多有 N 个；就绪队列可以为空，也可以包含全部进程。
操作系统通过组织 PCB 来组织进程。链接方式利用 PCB 的链接字段，把同状态进程串成队列；索引方式按状态建立索引表，各表项指向 PCB。就绪队列可按优先级分成多个，阻塞队列可按等待原因分成多个。
4 进程控制（3.1—3.4）¶
进程状态由内核的控制操作维护。创建和撤销改变进程的存在状态，阻塞和唤醒则在等待条件变化时调整状态及所属队列。
| 操作 | 触发条件 | 教材的一般步骤 |
|---|---|---|
| 创建 | 用户登录、作业调度、提供服务、应用请求 | 申请空白 PCB → 分配资源 → 初始化 PCB → 插入就绪队列 |
| 阻塞 | 请求服务未满足、等待操作完成、数据未到达、等待消息等 | 状态改阻塞 → 插入相应阻塞队列 → 转进程调度 |
| 唤醒 | 所等待的事件发生或资源可用 | 移出阻塞队列 → 改就绪态 → 插入就绪队列 |
| 撤销 | 正常结束、其他进程请求终止等；异常也可能导致结束 | 读取状态 → 若在执行则停止 → 按系统策略处理子孙进程 → 释放资源 → 移出 PCB |
创建者为父进程，被创建者为子进程；同一父进程的子进程互为兄弟。父子可以并发执行，也可以父进程等待子进程。子进程地址空间可共享，也可独立，不能一概而论。
父进程终止时，系统可能级联终止子孙进程；UNIX 也可能把子进程交给其他进程接管，因此不能简单地说“父进程结束，子进程必结束”。fork 用于创建进程，execve 使现有进程执行新的程序代码。
5 操作系统内核与中断（4.1—4.3）¶
内核是计算机硬件的第一次扩充，由与硬件密切相关、执行频率高的模块组成，常驻内存。其功能包括：
- 支撑功能：中断处理、时钟管理、原语操作。
- 资源管理功能：进程管理、存储器管理、设备管理。
原语是一组在执行过程中不能被中断的操作，强调原子性。应用程序的一般代码不自动具有这种性质。
中断是改变处理器执行指令顺序的一种事件。CPU 暂停当前程序，转去处理事件，之后按相应机制返回。中断支持 CPU 与设备并行工作，提高利用率，也支持系统异步性。
| 类型 | 来源 | 例子 |
|---|---|---|
| 同步中断／内部中断／异常 | 与当前指令执行有关 | 除零、溢出、调试等 |
| 异步中断／外部中断 | 外部硬件产生 | I/O 完成、时钟等 |
| 外部可屏蔽中断 | 可受中断屏蔽控制 | 常见 I/O 中断 |
| 外部不可屏蔽中断 | 紧急硬件事件 | 某些硬件故障 |
“关中断”不等于所有异常和不可屏蔽中断都不再响应。教材模型中，外部中断在一条指令执行完后检查；异常不一定发生在指令执行完毕之后。
单重中断处理过程：本次处理期间不响应新的中断，教材假定处理后返回原断点。
- 关中断，保护断点，保存下一条待执行指令地址。
- 转入中断处理程序，保存相关寄存器等硬件上下文，即保护现场。
- 根据中断向量查找入口信息，执行对应中断服务子例程。
- 恢复现场、开中断，返回断点继续执行。
断点记录程序恢复执行的位置，现场则包含恢复执行所需的寄存器等状态信息。中断向量标识中断源，中断描述符表 IDT 保存入口相关信息。教材 32 位 x86 实例中，表项地址为 IDT 基址＋8×中断向量；8 字节是该实例的表项大小。
6 用户态、系统态与系统调用（4.4、4.5）¶
内核需要控制资源访问权限，用户程序因而不能任意执行特权操作。系统调用提供了受控入口，使用户程序能够在权限检查下请求内核服务。
用户态是执行用户空间代码时的状态；系统态又称核心态，执行内核代码并具有相应特权。系统调用是操作系统提供给应用程序、用于取得内核服务的程序接口。
| 比较 | 用户程序的一般函数调用 | 系统调用 |
|---|---|---|
| 执行状态 | 通常保持用户态 | 进入系统态执行内核服务 |
| 入口方式 | 转移到函数入口 | 通过受控的陷入／系统调用入口 |
| 查找依据 | 函数地址 | 系统调用号等 |
| 开销 | 常规调用开销 | 另有执行态转换、现场处理等开销 |
执行过程：用户程序调用库函数接口 → 准备系统调用号和参数 → 执行陷入指令进入内核 → 保存上下文并检查、分派请求 → 执行服务例程 → 返回结果、恢复用户态。
教材以 getpid() 间接调用 sys_getpid()、传统 x86 的 int 0x80 为例。不同平台的入口指令可能不同，但都需要通过调用号定位服务并从用户态进入系统态。库函数不等于系统调用；系统调用也不等于进程切换。
教材列举系统调用类型：进程控制、文件操作、设备管理、信息维护和通信。其作用是封装内核服务，使程序通过统一、受控的入口使用系统资源。
7 时钟体系与时钟机制（4.6、4.7）¶
时钟用于维护日期时间、记录文件和网络数据的时间戳、定时与报警、CPU 使用记账以及时间片控制。其中时间片控制的目的是防止进程长期独占 CPU。
| 部分 | 作用 |
|---|---|
| RTC／CMOS 时钟 | 电池供电，为开机获取初始日期时间提供依据 |
| OS 时钟 | 开机后由操作系统控制，教材通过 PIT 周期中断说明 |
| PIT 可编程间隔定时器 | 晶振、计数器、保持寄存器构成，周期性产生中断 |
| 时钟驱动程序 | 响应时钟中断，维护时间及定时相关数据 |
PIT 工作过程：晶振产生固定频率脉冲 → 每个脉冲使计数器减 1 → 计数器减到 0 产生中断；中断之后，保持寄存器重新装入计数器 → 重复计数。
时钟驱动程序四项功能：维护日期和时间；递减时间片剩余量并检查是否耗尽；CPU 使用记账；递减报警计数器。时间片减到零时需要重新调度，进程不因此被撤销。
例如每秒产生 100 次时钟中断时，一次滴答为 10 ms，50 ms 时间片对应 5 次滴答。这个数值只用于说明计算方法。Linux 2.4 的 jiffies 表示系统启动后的滴答数，不是日期时间。
8 线程（5.1、5.2）¶
进程模型将资源拥有和执行过程联系在一起。线程进一步将执行单位从资源容器中分离，使同一进程内的多个执行流能够共享资源并分别调度。
线程是进程中的实体，是独立调度和分派的基本单位。引入线程的目的在于提高并发性，减少创建、撤销和切换的时空开销。线程有自己的 PC、寄存器和栈等少量运行资源，同一进程的线程共享进程地址空间及其他资源。
| 比较角度 | 进程 | 同一进程中的线程 |
|---|---|---|
| 基本角色 | 资源拥有的基本单位 | 执行、调度与分派的基本单位 |
| 地址空间 | 进程间通常相互独立 | 共享所属进程地址空间 |
| 通信 | 使用进程通信机制 | 可直接访问共享变量，仍需同步 |
| 并发 | 不同进程间可以并发 | 同一进程内不同线程也可以并发 |
| 开销 | 创建、撤销、切换开销较大 | 通常较小，尤其同进程线程切换 |
线程控制块 TCB 包含线程标识、处理机状态、调度及记账信息，可按状态链接成队列。线程也有就绪、运行、阻塞三态，其转换逻辑与进程三态相同。
| 比较 | 用户级线程（教材的纯用户线程模型） | 内核级线程 |
|---|---|---|
| 谁管理 | 用户空间线程库，内核不知道具体线程 | 内核建立 TCB 并管理 |
| 谁调度 | 内核调度进程，线程库在进程内调度 | 内核按线程调度 |
| 切换 | 通常不需进入内核，较快 | 需要内核参与，开销较大 |
| 阻塞式系统调用 | 可能阻塞整个所属进程 | 通常只阻塞调用线程 |
| CPU 时间分配 | 同进程线程分享进程的份额 | 以线程为调度对象 |
| 多处理器利用 | 教材模型中同进程用户线程不能同时用多个 CPU | 同进程多个线程可分配到不同 CPU 并行 |
上表采用教材的两种线程模型；用户级线程的结论以“内核只看到所属进程”为前提。
线程控制：创建时申请并初始化 TCB，加入就绪线程队列。终止原因有正常结束、异常结束、外界干预；过程为定位 TCB、停止运行并设置调度标志、移出队列并保留待收集的信息。阻塞时保存现场、改阻塞态并入相应队列，再调度其他线程。唤醒时移出阻塞队列、改就绪态并入就绪队列。用户级由线程库负责，内核级由内核负责。
9 同步与互斥的基本概念（6.1）¶
无论采用进程还是线程，并发执行都可能访问同一数据或等待彼此的结果。因此，系统需要约束共享资源的访问次序，并协调合作任务的执行条件。
同步机制有两个任务：使共享临界资源的进程互斥访问；使相互合作的进程按需要的先后关系协调执行。
| 概念 | 含义 |
|---|---|
| 临界资源 | 必须互斥访问的共享资源，如共享计数器 |
| 临界区 | 进程中访问临界资源的代码段 |
| 进入区 | 检查并取得进入许可的代码 |
| 退出区 | 释放访问权、允许其他进程进入的代码 |
| 互斥 | 同一临界资源一次只允许一个进程访问 |
| 协调／狭义同步 | 合作进程满足执行先后条件，如先产生数据再消费 |
基本原理是在临界区前检查和取得许可，退出时归还许可，保证相关临界区互斥执行。
四条准则：空闲让进，临界资源空闲时允许进入；忙则等待，已有进程使用时其他进程等待；有限等待，请求者在有限时间内能进入；让权等待，不能进入时释放 CPU，避免忙等。忙则等待不等于让权等待，忙等也属于等待，却持续消耗 CPU。
10 信号量与 P/V 操作（6.2、6.3，综合应用）¶
信号量表示资源数量、使用状况或事件关系。除初始化外，通过原子的 P/V 操作修改；以下操作均针对共享的同一个信号量对象。
10.1 整型信号量¶
P(S):
while S <= 0:
忙等
S = S - 1
V(S):
S = S + 1
P 操作中的条件检查和资源取得需要由底层机制保证原子性。上述代码仅表示操作语义；若直接用普通循环和赋值实现，多核环境中仍可能出现竞争。互斥信号量初值为 1，N 个同类资源初值为 N。整型机制的问题是忙等，不满足让权等待。
10.2 记录型信号量¶
S = { value: 整数, L: 阻塞队列 }
P(S):
S.value = S.value - 1
if S.value < 0:
把当前进程加入 S.L 并阻塞，放弃 CPU
V(S):
S.value = S.value + 1
if S.value <= 0:
从 S.L 唤醒一个进程
记录型 P 操作先将 value 减 1，再根据结果是否小于 0 决定阻塞。V 操作则先加 1，结果小于等于 0 时唤醒等待者。阻塞的是调用 P 的当前进程；被唤醒的进程转为就绪，不等于立即取得 CPU，也不应重新执行一次已经完成扣减的 P。
- value ≥ 0：表示当前可用资源数量。
- value < 0：其绝对值表示该信号量队列中的等待进程数。教材相关句子省略绝对值，理解时需补全。
| 操作示例，初值 1 | 操作后 value | 结果 |
|---|---|---|
| A 执行 P | 0 | A 取得许可 |
| B 执行 P | −1 | B 阻塞 |
| C 执行 P | −2 | C 阻塞 |
| A 执行 V | −1 | 唤醒一个等待者 |
| 获许可者完成并 V | 0 | 唤醒另一个等待者 |
| 最后一个完成并 V | 1 | 无等待者，许可归还 |
10.3 两种基本建模¶
互斥：mutex = 1，每个访问同一资源的进程都执行 P(mutex) → 临界区 → V(mutex)。
先后关系：要求 A 的 S1 完成后，B 才能执行 S2，设 done = 0；A 执行 S1 → V(done)，B 执行 P(done) → S2。V 位于产生事件的进程，P 位于等待事件的进程，两者配合表达这段先后约束。
写同步题时，先确定资源和先后关系，再定义信号量、写初值、标出临界区并安排 P/V。记录型信号量消除了忙等，但错误的 P/V 顺序仍可能造成死锁，也不保证公平。
教材另介绍 AND 型信号量，用一次操作同时申请多个资源；大纲 6.2、6.3 明确列出的应用重点是整型和记录型机制。
11 两个经典同步模型（6.4，综合应用）¶
11.1 生产者—消费者¶
生产者把数据放入含 N 个槽位的缓冲池，消费者从中取出数据。双方共享缓冲区和读写指针，访问这些状态时需要互斥。缓冲池满时生产者等待，缓冲池空时消费者等待，这又构成资源数量上的同步约束。
| 信号量 | 含义 | 初值 |
|---|---|---|
| mutex | 缓冲池访问许可 | 1 |
| empty | 可申请的空缓冲区 | N |
| full | 可申请的消息 | 0 |
生产者循环：
在私有变量中生产 item
P(empty)
P(mutex)
buffer[in] = item
in = (in + 1) mod N
V(mutex)
V(full)
消费者循环：
P(full)
P(mutex)
从 buffer[out] 取到私有变量 item
out = (out + 1) mod N
V(mutex)
V(empty)
在临界区外消费 item
必须先申请资源，再申请互斥权。缓冲池已满时，若生产者先 P(mutex) 再 P(empty)，它会持有 mutex 并等待空位。消费者此时取不到 mutex，也就取不走数据、无法释放空位。双方因此死锁。缓冲池为空时，消费者反过来也会遇到同样的问题。
生产和消费放在临界区外，临界区只保护缓冲区及共享指针。P/V 执行过程中，资源可能已被预留但尚未发布，因此不能在任意时刻用 empty.value + full.value = N 判断状态；稳定状态下，实际空位数和消息数之和才是 N。
11.2 读者—写者¶
多个读者可以同时读取数据；只要有写者访问数据区，就需要排除其他读者和写者。设 readcount = 0，rmutex = 1 保护计数器，wmutex = 1 控制共享数据区。
读者：
P(rmutex)
if readcount == 0: P(wmutex)
readcount++
V(rmutex)
读共享数据
P(rmutex)
readcount--
if readcount == 0: V(wmutex)
V(rmutex)
写者：
P(wmutex)
写共享数据
V(wmutex)
第一个读者为读者群申请数据区，最后一个读者归还；其他读者不必逐个申请 wmutex。readcount 的增减受 rmutex 保护，实际读操作不应放在 rmutex 临界区内，否则读者会被串行化。
这是读者优先模型：已有读者时，新读者可以继续加入，写者可能饥饿。若题目要求写者优先，需要另设同步方案。
11.3 教材综合题：单缓冲区读文件并打印¶
pA 每次从磁盘读一条记录到公共缓冲区，pB 每次取出并打印一条；缓冲区只容一条。它是 N＝1 的生产者—消费者问题，设 empty=1, full=0, mutex=1。
pA 循环：
从文件读记录到私有变量
P(empty)
P(mutex)
写入公共缓冲区
V(mutex)
V(full)
pB 循环：
P(full)
P(mutex)
从公共缓冲区复制到私有变量
V(mutex)
V(empty)
打印私有变量中的记录
与附录一致，取出到私有变量后就可以归还 empty，不必等待打印完成；如果直接从公共缓冲区打印，则必须保证打印结束前不会被覆盖。终止协议由题目另外约定，以上表达逐条交替的同步关系。
12 管程（6.5，领会）¶
信号量要求程序在各个访问位置正确安排 P/V 操作。管程把共享数据及其操作集中封装，通过统一入口保证互斥，并用条件变量表达等待关系。
管程由两部分组成：描述共享资源的数据结构，以及在这一结构上的管理过程。具体包括变量定义、初始化代码和操作共享资源的过程。其特点：资源封装在管程内部，外部不能直接访问；进程通过入口过程使用资源；任意时刻只有一个进程在管程内活跃执行，互斥由语言及相应机制保证。
条件变量支持等待条件：x.wait() 将进程加入该条件的等待队列，阻塞并释放管程的执行权；x.signal() 唤醒等待者，若无人等待则没有效果。条件变量不积累“资源许可”，与信号量的 V 不同。
12.1 管程实现生产者—消费者¶
把缓冲区、count、放入和取出过程集中在一个管程。教材把“缓冲池满”的条件变量命名为 full，把“缓冲池空”的条件变量命名为 empty。这两个名称与上节资源信号量的含义不同。
- 放入：满则在 full 条件上等待；允许放入后写缓冲区、count 加 1，通知在 empty 条件上等待的消费者。
- 取出：空则在 empty 条件上等待；允许取出后读缓冲区、count 减 1，通知在 full 条件上等待的生产者。
教材用 if 展示条件等待。若采用唤醒者继续、等待者稍后重新进入的语义，应以 while 重查条件；不能把教材伪代码不加说明地视为任何语言都可直接运行的代码。
12.2 哲学家进餐¶
5 人围坐，每人进餐需要左右两支筷子。若所有人各拿一支再等另一支，可能死锁。教材管程为每人设置 thinking、hungry、eating 状态和条件变量 self[i]，左右邻居下标是 (i+4) mod 5、(i+1) mod 5。
test(i):
if state[i] == hungry and 左右邻居都不是 eating:
state[i] = eating
self[i].signal()
pickup(i):
state[i] = hungry
test(i)
if state[i] != eating:
self[i].wait()
putdown(i):
state[i] = thinking
test(左邻居)
test(右邻居)
哲学家在管程外思考和进餐，进入管程只是检查、改变状态。该方法不让相邻两人同时进餐，并避免“各占一支筷子再等待”的死锁模式；若没有额外公平策略，不能据此宣称每个人都必定有限等待。
13 进程通信（6.6，识记）¶
通信用于进程间交换信息，教材先介绍共享存储器、消息传递和管道，再介绍消息缓冲队列机制。
| 方式 | 主要思想 | 注意 |
|---|---|---|
| 共享存储器 | 共享数据结构或一块存储区，通过读写交换数据 | 共享不自动保证互斥与同步 |
| 消息传递 | 经操作系统提供的发送、接收功能交换格式化消息 | 可直接发给目标，也可经信箱间接传递 |
| 管道 | 连接读写进程的特殊文件，以字符流传递数据 | 以流式接口读写；“特殊文件”不表示数据必然保存到磁盘 |
| 消息缓冲队列 | 发送方申请缓冲区并入接收方消息队列，接收方取出复制 | 消息队列本身也需互斥及资源同步 |
消息缓冲区通常含发送进程标识、消息长度、正文和下一缓冲区指针；PCB 相应增加队列指针、互斥信号量、资源信号量等信息。大纲明确列出的识记内容包括共享存储器、管道和消息缓冲队列。
14 教材本章习题¶
题目取自教材第二章习题，答案依据教材附录。
14.1 单项选择题¶
1. 下列选项中，操作系统提供给应用程序的接口是（ ）。
答案与解析
参考答案：A。
系统调用是应用程序取得内核服务的程序接口；库函数可能只是对系统调用的封装。
2. wait(s) 操作中的 block(s, L) 阻塞的进程是（ ）。
答案与解析
参考答案：C。
执行 P 操作后发现资源不可用时，当前调用 P 的进程进入阻塞队列。
3. 在一个单处理机系统中存在 5 个进程，处于就绪队列中的就绪进程数最多为（ ）。
答案与解析
参考答案：C。
题目只问就绪队列，5 个进程可以全部处于就绪态；单处理机最多同时执行其中 1 个，并不意味着必须有 1 个执行态进程。
4. 若记录型信号量 s 初值为 2，当前值为 −1，则 s 的阻塞队列中有（ ）个进程。
答案与解析
参考答案：B。
记录型信号量值为负时，负值的绝对值表示阻塞队列中的进程数。
14.2 填空题¶
1. 进程是由正文段、和构成的实体。
答案与解析
用户数据段；进程控制块。
2. 进程的 3 种基本状态是执行态、态和态。
答案与解析
就绪；阻塞。
3. 整型信号量的值只能被和改变。
答案与解析
wait 操作；signal 操作。
4. 临界区是指访问___的代码。
答案与解析
临界资源。
14.3 简答题¶
1. 什么是进程？说明进程与程序的区别和联系。
答案与解析
进程是允许并发执行的程序在某个数据集合上的运行过程，由正文段、用户数据段和 PCB 组成。程序是静态的指令集合，进程是动态的执行过程；程序可长期保存在外存，进程有创建和撤销；一个程序可以对应多个进程，一个进程通常对应一次程序执行。
2. 操作系统在什么时候创建进程？如何创建？
答案与解析
用户登录、作业调度、提供服务、应用请求时可创建。步骤为：申请空白 PCB → 分配资源 → 初始化 PCB → 插入就绪队列。
3. 时钟中断信号如何产生？时钟驱动程序有什么功能？
答案与解析
PIT 的晶振产生固定频率脉冲，计数器随脉冲递减，减到 0 后产生时钟中断，并从保持寄存器重新装载计数值。时钟驱动程序维护日期时间，递减并检查当前进程时间片，记录 CPU 使用情况，递减报警计数器。
4. 请说明单重中断的处理过程。
答案与解析
关中断并保护断点 → 保存寄存器等现场 → 根据中断向量找到服务程序 → 执行中断服务 → 恢复现场、开中断并返回断点。
5. 进程具有哪些特征？
答案与解析
并发性、动态性、独立性、异步性、结构特征。
6. 什么是线程？为什么要引入线程？
答案与解析
线程是进程中的实体，是独立调度和分派的基本单位，拥有 PC、寄存器、栈等少量资源并共享所属进程资源。引入线程可以减少进程创建、撤销和切换的开销，提高并发程度。
7. 实现进程互斥的基本原理是什么？
答案与解析
把访问临界资源的代码置于临界区；进入前申请访问许可，临界区内一次只允许一个进程，退出时释放许可并唤醒等待者，同时满足空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。
14.4 综合应用题¶
题目： 有两个进程 pA、pB 合作解决文件打印问题：pA 将文件记录从磁盘读入主存缓冲区，每次读一个记录；pB 将缓冲区内容打印出来，每次打印一个记录。缓冲区大小等于一个记录大小。请用记录型信号量的 wait(s) 和 signal(s) 保证正确打印，并写出同步代码。
答案与解析
设置 mutex 保护缓冲区，empty 表示空缓冲区，full 表示已有记录。初值为：
mutex.value = 1
empty.value = 1
full.value = 0
pA：
while 还有记录:
从磁盘读一条记录到私有变量
wait(empty)
wait(mutex)
将私有变量中的记录写入公共缓冲区
signal(mutex)
signal(full)
pB：
while 还有记录:
wait(full)
wait(mutex)
从公共缓冲区复制一条记录到私有变量
signal(mutex)
signal(empty)
打印私有变量中的记录
要点：三个信号量的含义和初值正确；生产者先申请 empty，消费者先申请 full；访问公共缓冲区时使用 mutex；取出记录后释放 empty。
15 闭卷复习与 PV 建模检查（补充）¶
| 自测题（自编） | 参考答案与辨析 |
|---|---|
| 阻塞进程得到事件通知后，是否直接进入执行态？ | 通常先进入就绪态，等待 CPU 调度。 |
| PCB 为什么重要？ | 保存身份、处理机现场、调度和资源控制信息，是系统管理和识别进程的重要依据。 |
| 一次系统调用是否一定引起进程切换？ | 不一定。用户态进入内核态是特权级转换，只有需要阻塞或重新调度等情况才可能换进程。 |
| 整型信号量与记录型信号量等待方式有何不同？ | 整型机制典型实现忙等，记录型机制在资源不足时把进程挂入等待队列并阻塞。 |
| 记录型信号量值为 -3，按本书定义说明什么？ | 有 3 个进程因等待该信号量而阻塞；非负时表示可用资源数。 |
| 同一进程的线程是否所有状态都共享？ | 共享进程的地址空间和资源，但各有自己的执行现场、寄存器及栈等。 |
PV 建模需要明确各进程执行的动作、共享资源以及动作之间的先后约束。对需要独占访问的资源设置互斥信号量；对等待数据或事件的条件设置同步信号量。初值根据初始资源数量确定，P/V 操作则放在相应动作之前或之后。P/V 操作本身具有原子性。
对有 n 个槽的有界缓冲，empty=n、full=0、mutex=1。生产者应先 P(empty) 再 P(mutex)，消费者先 P(full) 再 P(mutex)。若把等待资源放在取得 mutex 之后，可能锁住缓冲区而无法等到另一方生产或释放。两个进程中使用的同一互斥信号量必须指向同一对象。
同步方案的正确性取决于各种可能的交错次序。除双方正常交替外，还需检查空缓冲时消费者先执行、满缓冲时生产者先执行等情况。这些情形下要确认，等待中的进程不会阻碍另一方改变等待条件。记录型 P 阻塞后被唤醒，是继续完成原来的等待，不是把 P 的减 1 再重复做一次。读者优先方案允许读者并行，但持续到来的读者可能让写者饥饿，应按题目要求说明公平性。
与后续章节的联系：第三章调度选择就绪进程；第四章缺页会使进程等待 I/O；第六章公共缓冲池直接复用本章的资源信号量和队列互斥方法。