考研笔记

进程的组成

这一节有两个层面，考试都会碰：

  • 对外：系统里那么多 PCB，OS 怎么把它们组织起来管理？
  • 对内：单个进程在内存里长什么样，切换时要保存哪些东西？

第二个层面里藏着全章最容易混的一对词——进程映像和进程上下文。

机制

PCB 的组织方式：链接与索引

OS 手里有几十上百个 PCB，它需要能快速回答”下一个该调度谁""等打印机的有哪些”这类问题。所以 PCB 不是散着放的，而是按状态分组串起来。

两种组织方式：

链接方式——同状态的 PCB 用指针串成一条链。系统维护若干个队列指针：执行指针（指向当前运行的进程，单处理机下只有一个）、就绪队列指针、以及若干条阻塞队列指针。

注意阻塞队列通常不止一条：等打印机的排一条，等磁盘的排一条，等某个信号量的再排一条。这样做的好处是，当打印机被释放时，OS 只需去打印机那条队列的队首取一个唤醒，不必遍历所有阻塞进程去筛选谁在等打印机。这正好解释了 2.1.3 里”释放一台打印机只唤醒一个”是怎么高效实现的。

索引方式——为每种状态建一张索引表，表项指向对应的 PCB。查找快，但维护索引表本身有额外开销。

考试主要考”就绪队列可以按优先级组织成多条”这类细节，以及和多级反馈队列的呼应（见 2.2.5）。

进程在内存里的样子

一个进程的地址空间从低地址到高地址大致是这样：

flowchart TB
    S["<b>栈</b>　　局部变量、函数参数、返回地址<br/>（向低地址增长）"]:::rw
    G1["↓　　　　　　　↑"]:::gap
    H["<b>堆</b>　　malloc / new 动态分配<br/>（向高地址增长）"]:::rw
    B["<b>BSS 段</b>　未初始化的全局 / 静态变量<br/>（不占文件体积，装入时清零）"]:::rw
    D["<b>数据段</b>　已初始化的全局 / 静态变量"]:::rw
    T["<b>正文段</b>　代码 + 常量（只读）"]:::ro
    S --- G1 --- H --- B --- D --- T

    classDef rw fill:#dbeafe,stroke:#2563eb,color:#1e3a5f
    classDef ro fill:#fee2e2,stroke:#dc2626,color:#7f1d1d
    classDef gap fill:none,stroke:none,color:#94a3b8

疑问点：教材的三段划分是否准确

命题：“C 语言编写的程序在使用内存时一般分为三个段：正文段（代码和赋值数据段）、数据堆段和数据栈段。二进制代码和常量存放在正文段，动态分配的存储区存放在数据堆段，临时使用的变量存放在数据栈段。”

该表述是否准确？

该表述基本正确，属于教材的粗粒度三分法（正文段 / 堆 / 栈）。逐句核对：

  • “二进制代码和常量存放在正文段” ✅ 常量确实和代码一起放在只读区
  • “动态分配的存储区存放在数据堆段” ✅ malloc 的空间在堆
  • “临时使用的变量存放在数据栈段” ✅ 局部变量在栈

它唯一的粗糙之处是把已初始化和未初始化的全局/静态变量都笼统算进了”正文段（代码和赋值数据段）“。更细的划分会把它们分成数据段和 BSS 段。考试里这两种粒度都出现过，看题目给的选项决定用哪一档。

疑问点： static 与 const 的存储位置

教材所称的”静态数据”是否即 C 语言的 static 变量？ const 常量是否会被直接展开到代码之中，从而不占据独立存储？

static：是的。static 变量和全局变量一样有静态存储期——程序一启动就存在，直到结束才消亡，不随函数调用返回而销毁。它们属于静态数据，去处只看有没有被初始化：

  • 初始化成非零值 → 数据段（值要存在可执行文件里）
  • 未初始化或初始化为 0 → BSS 段（只在文件里记一个”需要多大”，装入时统一清零，所以不占文件体积）

const：不一定展开到代码里，这是个常见的误解。

  • 如果是基本类型的 const，且从没被取过地址，编译器通常做常量折叠，直接把值嵌进指令的立即数字段——此时它确实”没有独立存储”。
  • 但只要对它取了地址（&x），或者它是 const 数组、结构体，它就必须真实占据存储空间，通常放在只读数据段（.rodata），和字符串字面量在一起。

所以准确的说法是：const 的去处取决于编译器优化和是否需要地址，不能一概而论。 考试层面只需记住”常量在只读区”即可。

进程映像 vs 进程上下文

疑问点：进程上下文与进程映像是否是同一概念

两者不同，且是本节最重要的一对边界。这两个词描述的是同一个进程的两个不同侧面：

进程映像回答的是：“这个进程在内存里占了些什么？”

进程映像 = 程序段 + 数据段 + PCB

它是一张空间快照，强调”内存里躺着哪些东西”。

进程上下文回答的是：“要让这个进程从断点原样跑下去，必须保存和恢复哪些内容？”

进程上下文 = 现场信息（寄存器组、PC、PSW、栈指针）+ 控制信息（PCB 中的调度、资源等信息）

它是一份恢复清单，强调”切换时不存就会丢的东西”。

判断某个东西属不属于上下文，用一个问题就够了：它是不是每个进程各有一份、且切换时不保存就会被下一个进程覆盖？

  • 通用寄存器的值：每个进程各有一份，会被覆盖 → 属于上下文
  • PC 和 PSW：同上 → 属于
  • 用户栈：进程私有 → 属于
  • PCB 中的调度信息：进程私有 → 属于

疑问点：中断向量存放在何处，是否属于进程上下文

  1. 下列内容中，不属于进程上下文的是（ ）。 A. 进程现场信息　B. 进程控制信息　C. 中断向量　D. 用户栈

答案是 C 中断向量。

用上述判据即可直接判定：中断向量是全系统共享一份的。它是一张固定的表，存放在内存的特定低地址区域（或由中断向量寄存器指向），记录每个中断类型号对应的中断服务程序入口地址。

它由 OS 在初始化时建立，之后所有进程共用，不会因为进程切换而改变，也就没有任何理由去保存和恢复它。所以它不属于任何一个进程的上下文。

其余三项都是进程私有的，都属于。

跨科对照：操作系统与计算机组成原理中的"上下文"

“上下文”一词在两门课中所指的粒度并不相同，需分层区别：

出处上下文指什么谁来保存
计组·中断响应断点（PC）+ 程序状态字 PSW硬件自动完成
计组·中断服务程序通用寄存器软件（服务程序开头压栈）
OS·进程切换全部现场 + PCB 控制信息OS 的切换例程

三者是同一思想在不同层次上的展开：层次越高，需保存的内容越多，开销越大。这也解释了为什么模式切换比进程切换便宜得多——模式切换只需保存前两档，进程切换还要额外处理页表与 TLB。

边界

映像 ⊃ 上下文？不是包含关系

容易误以为上下文是映像的一部分。实际上两者有交集但互不包含：

  • PCB 中的控制信息：既在映像里，也在上下文里
  • 程序段（代码）：在映像里，不在上下文里（代码是只读的，不会被下一个进程改坏，不需要保存）
  • CPU 寄存器的当前值：在上下文里，不在映像里（它在 CPU 里，不在内存里）

所以正确的说法是：映像看内存占用，上下文看切换代价。

BSS 不占文件体积，但占内存

这是个常被问的细节。int arr[1000000]; 作为未初始化全局变量，可执行文件只会记录”BSS 需要 4MB”这一个数字，文件本身不会大 4MB。但程序装入运行时，这 4MB 内存是实打实要分配并清零的。

对照速查

进程映像进程上下文
回答的问题内存里有什么切换时要存什么
组成程序段 + 数据段 + PCB现场信息 + 控制信息
包含代码段✅❌（只读，不必保存）
包含 CPU 寄存器现值❌（在 CPU 里）✅
中断向量❌❌（全系统共享）
变量去处占文件体积
局部变量栈否
malloc 分配堆否
已初始化全局 / static数据段是
未初始化全局 / staticBSS否（只记大小）
字符串字面量 / 取过地址的 const只读数据段是
代码正文段是

考点

  • 中断向量不属于进程上下文（高频选择题）
  • 进程映像与进程上下文的区别
  • 五个内存段各放什么，BSS 的特殊性
  • PCB 按状态组织成多条队列，阻塞队列按事件分开

链接

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