多道程序设计¶
来源：
操作系统 / note/进程管理/进程/多道程序设计.md
多道程序设计可以理解为：
内存里同时放入多个程序，让 CPU 在它们之间切换执行，从而提高 CPU 和系统资源利用率。
它是现代操作系统并发执行的基础。
1. 为什么需要多道程序设计？¶
早期计算机一次只能运行一个程序，叫单道程序设计。
比如程序 A 运行时：
问题是：
当程序 A 在等待磁盘、键盘、打印机这些 I/O 操作时，CPU 是空闲的。
举个例子：
如果程序要等磁盘读文件，CPU 可能等很久。这样计算机资源就浪费了。
于是操作系统引入了多道程序设计：
这样 CPU 尽量不闲着。
2. 多道程序设计的核心思想¶
核心思想是：
把多个作业或进程同时放入内存，由操作系统调度它们交替使用 CPU。
注意，这里的“同时运行”不一定是真的物理同时。
在单核 CPU 上：
但是 CPU 切换速度很快，所以用户感觉多个程序在同时运行。
比如你一边听歌，一边写代码，一边下载文件：
它们看起来都在运行，实际上 CPU 在它们之间快速切换。
3. 单道程序 vs 多道程序¶
单道程序设计¶
执行过程：
缺点：
多道程序设计¶
执行过程：
优点：
4. 用一个例子理解¶
假设有两个程序：
如果是单道程序：
总时间：
其中 CPU 空闲了：
如果是多道程序：
这样 CPU 空闲时间减少，总体效率提高。
5. 多道程序设计和进程的关系¶
多道程序设计要实现，操作系统必须引入进程模型。
因为内存里同时有多个程序，操作系统必须知道：
所以操作系统用 PCB，进程控制块 来管理每个进程。
也就是：
6. 多道程序设计中的状态切换¶
在多道程序环境下，进程会在几个状态之间切换：
比如：
图可以这样理解：
这就是多道程序能提高效率的关键：
一个进程阻塞时，CPU 不等它，而是去运行别的进程。
7. 多道程序设计需要解决的问题¶
多道程序设计虽然提高效率，但也带来了很多问题。
第一，CPU 调度问题¶
内存里有多个就绪进程：
CPU 应该先运行谁？
这就需要调度算法，比如：
第二，内存管理问题¶
多个程序同时在内存中，操作系统要防止它们互相破坏。
比如：
所以需要：
第三，资源竞争问题¶
多个进程可能同时访问同一个资源。
比如：
这就需要：
你之前 miniFS 里的：
就是在解决多个进程访问同一个文件时的冲突。
第四，死锁问题¶
多个进程互相等待资源，可能造成死锁。
例如：
结果：
这就是死锁。
8. 多道程序设计和分时系统的区别¶
这两个概念容易混。
多道程序设计¶
重点是：
主要面向批处理系统。
多个作业同时进入内存，谁能运行由系统调度。
分时系统¶
重点是：
它通常使用时间片轮转：
用户感觉自己独占计算机。
所以关系是：
9. 多道程序设计的优点¶
主要有三个：
比如：
这些可以在同一段时间内交错进行。
10. 多道程序设计的缺点¶
它也让操作系统更复杂：
其中上下文切换本身也有开销：
所以多道程序不是程序越多越好。
如果进程太多，CPU 可能大量时间都花在切换上，反而效率下降。
11. 一句话总结¶
多道程序设计就是：
把多个程序同时放入内存，当一个程序等待 I/O 或暂时不能运行时，操作系统切换去运行另一个程序，从而提高 CPU、内存和 I/O 设备的利用率。
它解决的是：
它带来的核心机制是：