操作系统 on PlumePHP

09. 进程与线程

Wed, 05 Aug 2026 00:00:00 +0000

1. 进程（Process）

1.1 定义

进程是资源分配的基本单位，拥有独立的地址空间、文件描述符、代码段、数据段和堆栈。

进程地址空间布局：

高地址 → ┌─────────────┐
 │ 栈（Stack） │ ← 局部变量、函数调用，向下增长
 │ ↓ │
 │ 堆（Heap） │ ← 动态分配，向上增长
 │ ↑ │
 │ BSS（未初始化数据）│
 │ 数据段（全局/静态）│
 │ 代码段（Text） │
低地址 → └─────────────┘

1.2 进程控制块（PCB）

PCB 是操作系统管理进程的核心数据结构：

10. 内存管理

Wed, 05 Aug 2026 00:00:00 +0000

1. 内存管理的发展历程

无内存管理（单道程序） → 静态分区 → 动态分区 → 
分页 → 分段 → 段页式 → 虚拟内存

2. 连续分配方式

2.1 固定分区 vs 动态分区

方式	原理	问题
固定分区	内存分成等大/不等大的固定区域	内部碎片，利用率低
动态分区	按需求分配连续内存块	外部碎片，需紧凑整理

2.2 动态分区的分配算法

首次适应（First Fit）：从头找第一个足够大的空闲块
 优点：速度快
 缺点：低地址碎片多

最佳适应（Best Fit）：找最小的足够大的空闲块
 优点：减少浪费
 缺点：产生大量小碎片

最坏适应（Worst Fit）：找最大的空闲块
 优点：碎片较大可利用
 缺点：大进程无法分配

下次适应（Next Fit）：从上次分配位置继续搜索
 优点：分布更均匀
 缺点：尾部碎片可能累积

3. 分页（Paging）

3.1 基本思想

将物理内存和逻辑内存划分为固定大小的页框（Page Frame）和页面（Page），大小通常为 4KB。

11. 文件系统与 I/O

Wed, 05 Aug 2026 00:00:00 +0000

1. 文件系统基础

1.1 文件系统的作用

文件系统负责将磁盘上的裸数据组织成逻辑上的文件和目录，提供统一的读写接口。

文件系统层次：

用户接口层（open/read/write）
 ↓
虚拟文件系统 VFS（统一抽象）
 ↓
具体文件系统（ext4/XFS/Btrfs）
 ↓
块设备驱动（磁盘 I/O）
 ↓
物理磁盘（扇区、柱面）

1.2 磁盘物理结构

磁盘 → 柱面（Cylinder）→ 磁道（Track）→ 扇区（Sector，通常 512B 或 4KB）

寻道时间：磁头移动到目标磁道（最耗时）
旋转延迟：等待扇区旋转到磁头下方（半圈平均）
传输时间：读取数据到内存

2. inode 与文件存储

2.1 inode 结构

**inode（索引节点）**是文件系统管理文件的核心数据结构，每个文件/目录对应一个 inode。

12. CPU 调度

Wed, 05 Aug 2026 00:00:00 +0000

1. 调度的层次

高级调度（作业调度）：从后备队列选作业调入内存
 ↓
中级调度（交换调度）：内存紧张时换出/换入进程
 ↓
低级调度（CPU 调度）：从就绪队列选进程分配 CPU ← 本课重点

1.1 调度时机

进程终止
进程阻塞（等待 I/O）
I/O 中断完成
时间片用完（抢占式）
新进程进入就绪队列（抢占式）

2. 调度算法

2.1 FCFS（先来先服务）

进程 到达时间 执行时间
P1 0 8
P2 1 4
P3 2 9

甘特图： P1(0-8) → P2(8-12) → P3(12-21)

周转时间：P1=8, P2=11, P3=19 平均=12.67
等待时间：P1=0, P2=7, P3=10 平均=5.67

护航效应（Convoy）：长进程阻塞短进程

2.2 SJF（最短作业优先）

非抢占式：选择执行时间最短的进程。
抢占式版本：SRTF（最短剩余时间优先），新到达的更短进程可抢占。

13. 死锁与同步

Wed, 05 Aug 2026 00:00:00 +0000

1. 死锁的定义

死锁：多个进程因竞争资源而相互等待，若无外力干预，永远都无法继续执行。

进程 P1 持有资源 A，等待资源 B
进程 P2 持有资源 B，等待资源 A

 P1 ───持有──→ 资源 A
 ↑ │
 │ ↓
 等待 等待
 │ ↓
 P2 ←──持有─── 资源 B

2. 死锁的四个必要条件

条件	说明	破坏策略
互斥	资源一次只能被一个进程占用	共享资源（如只读文件）
占有并等待	持有资源同时等待新资源	一次性申请所有资源
不可抢占	已分配的资源不能被强制剥夺	资源可被抢占
循环等待	进程-资源形成环	资源有序分配

四个条件必须同时满足才会死锁，破坏任一条件即可预防。