操作系统基本概念与进程管理：从入门到精通

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操作系统基本概念与进程管理：从入门到精通

一、常见操作系统与计算机系统层次结构

二、操作系统的概念、功能与特征

三、操作系统的发展与分类

四、进程管理

（一）进程的状态与状态转换

（二）前驱图

（三）进程同步与互斥机制

（四）信号量机制与 PV 操作

（五）PV 操作实现前驱关系

（六）死锁

（七）银行家算法

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在计算机的世界里，操作系统就像是一位幕后的 “大管家”，默默管理着计算机的各种资源，协调着各种程序的运行。今天，咱们就深入探讨一下操作系统的基本概念和进程管理相关知识，帮助大家更好地理解这个神秘又重要的领域。

一、常见操作系统与计算机系统层次结构

咱们日常接触到的操作系统五花八门，像大家熟悉的 Windows，广泛应用于个人电脑；Linux 则深受程序员喜爱，常被用于程序开发和服务器领域，比如 CentOS 就是常见的服务器操作系统；还有手机上的安卓和苹果的 iOS，以及平板的 Mac OS。

一台电脑从诞生到我们手中，要经历几个关键阶段。厂家先组装出一台仅有硬件的裸机，就像一个没有灵魂的躯壳。在出售前，商家会给它安装操作系统，就如同赋予它灵魂一样。之后还会安装各种应用程序，比如办公软件、聊天工具、游戏等，电脑才能真正满足我们的各种需求。

从这个过程，我们可以对应想象出计算机系统的层次结构。最底层是裸机，包含 CPU、内存、硬盘、主板等硬件。在裸机之上，安装着操作系统，它是连接硬件和用户的桥梁。而在操作系统之上，则是各种各样的应用软件，为我们提供丰富多彩的功能。

二、操作系统的概念、功能与特征

操作系统（Operating System，简称 OS）是控制和管理整个计算机系统硬件和软件资源的核心系统软件。它合理地组织调度计算机的工作和资源分配，还为用户和其他软件提供接口和环境。

就拿 Windows 系统来说，通过任务管理器，我们能直观看到它对软件和硬件的管理。任务管理器展示了正在运行的软件，以及每个软件占用的 CPU、内存、硬盘等资源情况。

操作系统主要有三个功能和目标：一是作为系统资源的管理者，负责分配 CPU、内存等资源给各个应用程序；二是为上层的用户和应用程序提供方便易用的服务，比如 C 语言编程时调用库函数，就是通过操作系统实现的；三是作为最接近硬件的层次，直接管理和控制硬件设备。

操作系统具有并发、共享、虚拟和异步四个重要特征。并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，宏观上同时进行，微观上交替执行。比如我们一边用 QQ 聊天，一边听音乐，表面上看两个操作同时进行，但实际上 CPU 在快速交替处理它们。并行则是指两个或多个事件在同一时刻内发生，这和并发是不同的概念。

共享是指计算机中的各种系统资源，可被多个并发执行的进程共同使用。虚拟是把物理上的实体转化为若干个逻辑上对应的实体，比如我们在逻辑上操作的数据结构，和实际存储的数据方式可能不同。异步是指在多道程序环境下，由于资源有限，程序的执行不是连贯的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。

三、操作系统的发展与分类

操作系统的发展经历了多个阶段。最初是手工操作阶段，那时还没有真正的操作系统，计算机体积庞大，操作复杂。后来发展到批处理阶段，分为单道批处理和多道批处理。单道批处理一次只能装入一个作业，执行完一个才能执行下一个；多道批处理则允许多个作业同时装入内存执行，操作系统也在这个阶段逐渐出现。

接着出现了分时操作系统，它把 CPU 的工作划分为许多很短的时间片，让每个等待运行的作业轮流执行一个时间段。实时操作系统在生产生活中应用广泛，分为硬实时和软实时。像导弹控制系统这种对时间要求极高的，属于硬实时；银行系统中数据的实时更新则属于软实时。

随着网络的发展，网络操作系统应运而生，它能实现网络资源共享，为网络用户提供各种服务。分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式，不仅具备网络操作系统的功能，还具有透明性、可靠性和高性能的特点。最后就是我们常用的个人计算机操作系统，如 Windows。

四、进程管理

（一）进程的状态与状态转换

进程有五种基本状态：创建态、就绪态、运行态、阻塞态和终止态。创建态是进程正在被创建的阶段，操作系统会为其分配资源、初始化 PCB（进程控制块）。PCB 就像是进程的 “身份证”，记录着进程的 ID（PID）、所属用户 ID（UID）、分配的资源、运行情况等信息。

进程创建完成后进入就绪态，此时它具备运行条件，但由于 CPU 资源有限，暂时不能运行。当进程获得 CPU 资源开始运行时，就进入了运行态，CPU 会执行该进程对应的程序。在运行过程中，如果进程请求某个事件发生，比如等待 I/O 输入，就会进入阻塞态，直到请求的事件完成，才会重新进入就绪态，等待 CPU 调度再次运行。当进程完成任务或遇到错误，调用系统函数请求终止时，就会进入终止态，操作系统会回收其占用的资源。

进程的状态转换遵循一定的规则。从创建态到就绪态，是系统完成创建工作后自动转换的；从就绪态到运行态，需要进程被调度；运行态可能因为任务完成或出现错误进入终止态，也可能因为请求资源进入阻塞态；阻塞态在资源满足时进入就绪态，就绪态被调度后再次进入运行态。需要注意的是，阻塞态不能直接转化为运行态，就绪态也不能直接转化为阻塞态。

（二）前驱图

前驱图是一种有向无环图，由节点和节点间的有向边组成。节点代表各个阶段的操作，有向边表示程序段操作之间的前驱关系。比如包饺子，剁绞肉、切葱姜、切姜末这些操作都完成后，才能进行搅拌成饺子馅的操作，最后才能包饺子，这一系列操作之间的关系就可以用前驱图表示。

（三）进程同步与互斥机制

进程同步和互斥是进程管理中的重要概念，但它们不是反义词，同步的反义词是异步，互斥的反义词是共享。

进程同步是为了完成某种任务，多个进程在某些位置协调工作次序而产生的制约关系，也叫直接制约关系。以管道通信为例，写进程和读进程并发运行，由于并发会导致异步性，可能出现写进程还没写入数据，读进程就去读的情况。为了避免这种情况，就需要进程同步机制来保证先写后读的顺序。

进程互斥则是因为多个进程不可避免地要共享一些系统资源，如内存、打印机、摄像头等。而临界资源在一段时间内只允许一个进程使用，像打印机，多个进程不能同时使用，否则会出现打印混乱的情况。进程互斥就是当一个进程访问临界资源时，其他想要访问的进程必须等待，直到当前进程结束并释放资源。

对临界资源的访问在逻辑上分为进入区、临界区、退出区和剩余区。临界区是访问临界资源的代码段，进入区和退出区负责实现互斥访问。进入区检查是否可以进入临界区，若可以则设置访问标志；退出区解除访问标志，就像解锁一样，允许其他进程访问。为了保证对临界资源的互斥访问，同时保证系统性能，需要遵循空闲让进、忙则等待、有限等待和让权等待四个原则。

（四）信号量机制与 PV 操作

信号量机制是实现进程同步和互斥的重要手段。信号量本质是一个变量，可以是整数或更复杂的记录型变量，用来表示系统中某种资源的数量。比如系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为 1 的信号量来表示。

原语是一种特殊的程序段，执行时一气呵成，不能被中断。操作系统提供了一对原语，即 wait 原语和 signal 原语，通常简称为 PV 操作。PV 操作来源于荷兰语，在做题时，我们常把 wait (S) 和 signal (S) 写为 P (S) 和 V (S)。

P 操作表示申请一个资源，执行时信号量 S 减 1，如果资源不够（S 小于 0），则进程阻塞等待；V 操作表示释放一个资源，执行时信号量 S 加 1。通过 PV 操作，可以方便地实现进程的互斥、同步和前驱关系。

以两个进程 P1 和 P2 为例，假设它们都执行一段代码，并且有一个初始值为 0 的同步信号量 S。如果先执行 P1，P1 执行完代码后执行 V (S) 操作，S 的值变为 1，表示有可用资源，此时 P2 执行 P (S) 操作，由于 S 为 1，P2 可以顺利执行后续代码。但如果先执行 P2，P2 执行 P (S) 操作时，S 的值变为 - 1，说明没有可用资源，P2 就会阻塞，直到 P1 执行 V (S) 操作释放资源。

（五）PV 操作实现前驱关系

PV 操作可以用来实现进程的前驱关系，这是考试中的重点内容。根据前驱图，我们可以确定进程中是先执行 P 操作还是 V 操作。一般来说，在前驱操作之后要执行 V 操作释放资源，在后驱操作之前要执行 P 操作锁定资源。

比如有多个进程 P1、P2、P3 等，每个进程中有不同的代码段 S1、S2、S3 等，要求按照前驱图的顺序执行。在执行完 S1 后，要释放与 S1 后继操作相关的信号量；在执行 S2 之前，要锁定与 S1 和 S2 前驱关系相关的信号量。通过这样的方式，就能保证进程按照正确的顺序执行。

（六）死锁

死锁是进程管理中一个比较棘手的问题。用一个有趣的例子来理解，就像 “我爱你，你爱他，他爱我” 这种复杂的关系，导致谁也无法进入下一个阶段。在操作系统中，死锁是指多个进程相互等待对方手里的资源，导致所有进程都进入阻塞状态，无法向前推进。

产生死锁必须满足四个条件：互斥条件，即对必须互斥使用的资源进行竞争才会导致死锁；不剥夺条件，进程获得资源后，在未使用完之前不能被其他进程强行夺走，只能主动释放；请求和保持条件，进程已经保持了至少一个资源，又提出新的资源请求，而该资源被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但仍保持已有的资源；循环等待条件，存在一种进程资源的循环等待链，链中的每个进程都已获得资源，同时又被下一个进程请求。

只要这四个条件中有一个不成立，死锁就不会发生。处理死锁的方法有预防死锁、避免死锁和死锁的检测与解除。预防死锁主要是破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个；避免死锁是用某种方法防止系统进入不安全状态，银行家算法就是一种经典的避免死锁的方法；死锁的检测与解除则是允许死锁发生，但操作系统负责检测并采取措施解除死锁。

（七）银行家算法

银行家算法是避免死锁的重要算法，核心思想是在资源分配之前，预判这次分配是否会导致系统进入不安全状态，以此决定是否答应资源的分配请求。

在银行家算法中，安全序列是关键概念。如果系统按照某种序列分配资源，每个进程都能顺利完成，那么这个序列就是安全序列。只要能找出一个安全序列，系统就处于安全状态；如果找不出任何安全序列，系统就进入不安全状态。需要注意的是，安全状态一定不会发生死锁，而不安全状态未必会发生死锁，但发生死锁时系统一定处于不安全状态。

以一个具体例子来说，假设系统中有三类互斥资源 R1、R2、R3，每种资源的可用数量分别是 9、8、5。在 T0 时刻，有五个进程 P1、P2、P3、P4、P5，每个进程对这三种资源的最大需求量和已分配数量都已知。我们首先要计算每个进程还需要的资源数，以及每种资源剩余的数量。然后根据这些数据，按照银行家算法的规则，逐步分析每个进程是否能得到满足，从而找出安全序列。

例如，在这个例子中，我们先分析 P1，它还需要 R1 资源 5 个，但此时 R1 剩余资源只有 2 个，无法满足 P1 的需求，如果分配给 P1，系统会陷入不安全状态，所以 P1 不能先分配。接着看 P2，它需要的资源数为 0、1、0，当前剩余资源可以满足，所以可以先分配给 P2。P2 执行完后会释放它占用的资源，此时系统的剩余资源数量会发生变化。然后再用变化后的剩余资源去分析 P3、P4、P5，重复这个过程，最终就能找出安全序列。

通过今天的分享，希望大家对操作系统的基本概念和进程管理有了更深入的理解。这部分知识在计算机领域非常重要，无论是学习还是工作，都有很大的帮助。如果大家在学习过程中有任何疑问，欢迎留言讨论。咱们下次再见！