虚拟内存

virtual memory

进程

process

资源分配的基本单位。每个进程拥有独立的地址空间、文件描述符表、信号处理器等资源，进程之间彼此隔离。

进程的状态包括：创建、就绪、运行、阻塞、终止。

上下文切换

进程上下文切换需要保存和恢复的内容：

  • CPU 寄存器（程序计数器 PC、栈指针 SP、通用寄存器等）
  • 虚拟内存映射（页表基址寄存器，需刷新 TLB）
  • 内核栈
  • 进程控制块（PCB）中的状态信息

由于涉及页表切换和 TLB 刷新，进程切换的开销较大（通常在微秒级）。

进程间通信

进程拥有独立的地址空间，因此需要通过操作系统提供的 IPC 机制来通信：

方式特点适用场景
管道（Pipe）半双工，父子进程间使用简单的单向数据流
命名管道（FIFO）半双工，无亲缘关系限制不相关进程间通信
消息队列有格式的消息，可按类型读取结构化数据传递
共享内存最快的 IPC 方式，需配合同步机制大量数据交换
信号量（Semaphore）用于同步，控制对共享资源的访问互斥与同步
信号（Signal）异步通知机制事件通知（如 SIGKILL）
Socket支持不同主机间通信网络通信

线程

thread

CPU 调度的基本单位。同一进程内的线程共享地址空间、文件描述符和堆内存，但各自拥有独立的栈、程序计数器和寄存器组。

上下文切换

线程上下文切换只需保存和恢复：

  • CPU 寄存器（PC、SP、通用寄存器）
  • 线程栈指针

由于不涉及页表切换和 TLB 刷新（同进程内的线程共享地址空间），线程切换比进程切换快得多。

线程间通信

同一进程内的线程共享地址空间，可以直接读写共享变量，但需要同步机制来避免竞态条件：

  • 互斥锁（Mutex）：保证同一时刻只有一个线程访问临界区
  • 读写锁（RWLock）：允许多个读者并发，写者独占
  • 条件变量（Condition Variable）：让线程等待某个条件成立后再继续执行，配合互斥锁使用
  • 信号量（Semaphore）：控制并发访问数量

协程

运行在用户态的轻量级线程。协程的调度完全由用户程序控制，不需要陷入内核，因此切换开销极小。

与线程的关键区别：

线程协程
调度方操作系统内核用户程序
切换方式抢占式协作式（主动让出）
栈大小固定（通常 1-8 MB）动态增长（初始通常 2-8 KB）
并发模型抢占式多任务协作式多任务
创建开销较大（内核参与）极小（用户态完成）

上下文切换

协程切换只需在用户态保存和恢复少量寄存器（PC、SP 及少量通用寄存器），不涉及系统调用和内核态切换，开销通常在纳秒级。

典型实现：Go 的 goroutine 采用 GMP 模型，将大量协程（G）多路复用到少量操作系统线程（M）上执行，由调度器（P）负责协程的分配。

调度

schedule

不同类型的系统有不同的调度目标，因此采用不同的调度算法。

批处理系统中的调度

目标：最大化吞吐量，最小化平均周转时间。没有用户交互，任务可以长时间占用 CPU。

  • 先来先服务（FCFS）：按到达顺序执行，简单但可能导致"护航效应"（convoy effect）——短任务被长任务阻塞
  • 最短作业优先（SJF）：优先执行预计运行时间最短的作业，平均等待时间最优但需要预知运行时间
  • 最短剩余时间优先（SRTF）：SJF 的抢占版本，新到达的短作业可以抢占当前作业

交互式系统中的调度

目标：最小化响应时间，保证公平性。用户期望每次操作都能快速得到反馈。

  • 时间片轮转调度（Round Robin）：每个进程分配一个时间片（通常 10-100 ms），用完即切换。时间片太小会导致切换开销过大，太大则退化为 FCFS
  • 优先级调度：为每个进程分配优先级，高优先级先执行。需要防止低优先级进程饥饿（可通过老化机制解决）
  • 多级反馈队列调度（MLFQ）：设置多个优先级队列，新进程进入最高优先级队列；如果用完时间片则降到下一级队列，如果主动让出则保持当前级别。兼顾了响应时间和吞吐量

实时系统中的调度

目标：满足截止时间（deadline）。正确但迟到的结果等于错误结果。

  • 硬实时：必须绝对保证在截止时间前完成（如航空控制、ABS 刹车系统）
  • 软实时：偶尔错过截止时间可以容忍（如视频播放、音频流）
  • 常用算法：速率单调调度（RMS）（静态优先级）、最早截止时间优先（EDF）（动态优先级）