操作系统中进程的五种状态深度解析操作系统原理之进程管理

导读进程管理进程#进程是程序的一次执行是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动是具有独立功能的程序在一个数据集合上的一次运行过程是系统进行资源分配和调....

进程管理进程# 进程是程序的一次执行 是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动 是具有独立功能的程序在一个数据集合上的一次运行过程 是系统进行资源分配和调度的一个基本单位 是PCB结构、程序和数据的集合设备分配只针对现有进程，不会创建进程 进程的特征：

• 动态性：进程的实质是程序的一次执行过程，因此，动态特征是进程最重要的特征
• 并发性：没有为之建立进程的程序是不能并发执行的，仅当为之建立一个进程后才能参加 并发执行
• 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位
• 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可 预知的速度向前推进
• 结构特征：为了控制和管理进程，系统为每个进程设立一个进程控制块--PCB

进程与程序的区别：

• 程序是进程的静态文本，进程是执行程序的动态过程
• 进程与程序之间不是一一对应的，同一程序同时运行于若干不同的数据集合上，它将属于若干个不同的进程； 一个进程可以执行多个程序
• 程序可作为软件资源长期保存，进程只是一次执行过程，是暂时的
• 进程是系统分配调度的独立单位，能与其他进程并发执行

进程状态及其演变# 进程执行的间断性，决定了进程可能具有多种状态 基本状态# 运行的进程可能具有就绪、执行、阻塞三种基本状态

当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源时，它便处于就绪状态，一旦获得CPU，便立即执行，进入执行状态 正在执行的进程，由于发生某个事件而暂时无法执行时，便放弃处理机而进入阻塞状态 由于执行的进程变为阻塞状态后，调度程序立即把处理机分配给另一个就绪进程（因此，阻塞进程的事件消失后，进程不会立即恢复到执行状态，而转变为就绪状态，重新等待处理机） 创建和终止# 为了管理的需要，还存在着两种比较常见的进程状态，即创建状态和终止状态

创建状态：引起创建的事件：

1. 用户登录
2. 作业调度：为被调度的作业创建进程
3. 提供服务：要求打印
4. 应用请求

创建一个进程一般要通过两个步骤：

• 首先，为一个新进程创建PCB，并填写必要的管理信息；
• 其次，把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。

当一个新进程被创建时，系统已为其分配了PCB，填写了进程标识等信息，但由于该进程所必需的资源或其它信息，如主存资源尚未分配等，一般而言，此时的进程已拥有了自己的PCB，但进程自身还未进入主存，即创建工作尚未完成，进程还不能被调度运行，其所处的状态就是创建状态。 引入创建状态，是为了保证进程的调度必须在创建工作完成后进行，以确保对进程控制块操作的完整性。同时，创建状态的引入，也增加了管理的灵活性，操作系统可以根据系统性能或主存容量的限制，推迟创建状态进程的提交。对于处于创建状态的进程，获得了其所必需的资源，以及对其PCB初始化工作完成后，进程状态便可由创建状态转入就绪状态。终止状态：引起终止的事件：

1. 正常结束
2. 异常结束
3. 外界干预
4. 系统管理员kill
5. 父进程终止
6. 父进程请求

进程的终止也要通过两个步骤：

• 首先等待操作系统进行善后处理
• 然后将其PCB清零，并将PCB 空间返还系统

当一个进程到达了自然结束点，或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结，或是被其他有终止权的进程所终结，它将进入终止状态 进入终止态的进程以后不能再执行，但在操作系统中依然保留一个记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其它进程收集。一旦其它进程完成了对终止状态进程的信息提取之后，操作系统将删除该进程。 阻塞和唤醒#阻塞是进程自身的一种主动行为 a. 调用block原语 b. 停止执行，修改PCB进入阻塞队列（一个或多个 唤醒由其他相关进程完成 a. wakeup原语 b. 修改PCB进入就绪队列 挂起# 为了系统和用户观察分析的需要，还引入了挂起操作，与挂起对应的是激活操作 当进程被挂起，便会进入静止状态：正在执行，便会暂停执行，处于就绪状态则不接受调度 引入挂起状态的原因有：

• 终端用户的请求：当终端用户在自己的程序运行期间发现有可疑问题时，希望暂时使自己的程序静止下来。亦即，使正在执行的进程暂停执行；若此时用户进程正处于就绪状态而未执行，则该进程暂不接受调度，以便用户研究其执行情况或对程序进行修改。我们把这种静止状态称为挂起状态。
• 父进程请求：有时父进程希望挂起自己的某个子进程，以便考查和修改该子进程，或者协调各子进程间的活动。
• 负荷调节的需要：当实时系统中的工作负荷较重，已可能影响到对实时任务的控制时，可由系统把一些不重要的进程挂起，以保证系统能正常运行。
• 操作系统的需要：操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账。

在引入挂起状态后：

• 活动就绪→静止就绪：当进程处于未被挂起的就绪状态时，称此为活动就绪状态，表示为Readya 当用挂起原语Suspend 将该进程挂起后，该进程便转变为静止就绪状态，表示为Readys，处于Readys状态的进程不再被调度执行
• 活动阻塞→静止阻塞：当进程处于未被挂起的阻塞状态时，称它是处于活动阻塞状态，表示为Blockeda。当用Suspend原语将它挂起后，进程便转变为静止阻塞状态，表示为Blockeds。处于该状态的进程在其所期待的事件出现后，将从静止阻塞变为静止就绪
• 静止就绪→活动就绪：处于Readys 状态的进程，若用激活原语Active 激活后，该进程将转变为Readya 状态
• 静止阻塞→活动阻塞：处于Blockeds 状态的进程，若用激活原语Active 激活后，该进程将转变为Blockeda 状态

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五个进程状态的转换#

• NULL→创建：一个新进程产生时，该进程处于创建状态
• 创建→活动就绪：在当前系统的性能和内存的容量均允许的情况下，完成对进程创建的必要操作后，相应的系统进程将进程的状态转换为活动就绪状态
• 创建→静止就绪：考虑到系统当前资源状况和性能要求，并不分配给新建进程所需资源，主要是主存资源，相应的系统进程将进程状态转为静止就绪状态，对换到外存，不再参与调度，此时进程创建工作尚未完成
• 执行→终止：当一个进程到达了自然结束点，或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结，或是被其他有终止权的进程所终结，进程即进终止状态

PCB# 为了描述和控制进程的运行，系统为每个进程定义了一个数据结构——进程控制块PCB(Process Control Block)，它是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构 PCB 的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序(含数据)，成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程

1. 作为独立运行基本单位的标志
2. 能实现间断性的运行方式
3. 提供进程管理所需要的信息
4. 提供进程调度所需要的信息
5. 实现与其他进程的同步与通信

PCB中的信息：#

1. 进程标识符：用于惟一地标识一个进程，一个进程通常有两种标识符：
2. 内部标识符，在所有的操作系统中，都为每一个进程赋予了一个惟一的数字标识符， 它通常是一个进程的序号。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。
3. 外部标识符，它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户(进程)在访问该进程时使用。为了描述进程的家族关系，还应设置父进程标识及子进程标识。此外，还可设置用户标识，以指示拥有该进程的用户。

1. 处理机状态：主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。处理机在运行时，许多信息都放在寄存器中。当处理机被中断时，所有这些信息都必须保存在PCB 中，以便在该进程重新执行时，能从断点继续执行。这些寄存器包括
2. 通用寄存器，又称为用户可视寄存器，它们是用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有 8～32 个通用寄存器，在RISC 结构的计算机中可超过100 个
3. 指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址
4. 程序状态字PSW，其中含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等
5. 用户栈指针，指每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址，栈指针指向该栈的栈顶。

1. 进程调度信息：在 PCB中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息，包括
2. 进程状态，指明进程的当前状态，作为进程调度和对换时的依据
3. 进程优先级，用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机
4. 进程调度所需的其它信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如，进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等
5. 事件，指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。

1. 进程控制信息：
2. 程序和数据的地址，指进程的程序和数据所在的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据
3. 进程同步和通信机制，指实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB 中
4. 资源清单，即一张列出了除CPU 以外的、进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单
5. 链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。

PCB的组织方式# 在一个系统中，通常可拥有数十个、数百个乃至数千个PCB。为了能对它们加以有效的管理，应该用适当的方式将这些PCB组织起来。目前常用的组织方式有以下两种。

1. 线性方式：将系统种所有PCB都组织在一张线性表中，将该表首地址存在内存的一个专用区域 实现简单，开销小，但是每次都需要扫描整张表，适合进程数目不多的系统
2. 链接方式：把同一状态的PCB链接成一个队列，形成就绪队列、若干个阻塞队列和空白队列等 对其中的就绪队列常按进程优先级的高低排列，优先级高排在队前，此外，也可根据阻塞原因的不同而把处于阻塞状态的进程的PCB排成等待I/O 操作完成的队列和等待分配内存的队列等
3. 索引方式：系统根据所有进程的状态建立几张索引表，例如就绪索引表、阻塞索引表等，并把各索引表在内存的首地址记录在内存的一些专用单元中，在每个索引表的表目中，记录具有相应状态的某个PCB在PCB址

进程的控制# 进程控制是进程管理最基本的功能，主要包括创建新进程，终止已完成的进程，将发生异常的进程置于阻塞状态，进程运行中的状态转换等 进程创建#参数：进程标识、优先级、进程起始地址、CPU初始状态、资源需求等等 创建进程的过程：

1. 创建一个空白PCB
2. 为新进程分配所需资源
3. 初始化PCB
4. 标识信息，将系统分配的标识符和父进程标识符填入新PCB
5. 处理机状态信息，使程序计数器指向程序入口地址，使栈指针指向栈顶
6. 处理机控制信息，将进程设为就绪/静止状态，通常设为最低优先级

1. 如果就绪队列能接纳，则插入

进程终止#进程终止的时机/时间：

1. 正常结束
2. 异常结束
3. 越界错，访问的存储区越出该进程的区域
4. 保护错，试图访问不允许访问的资源，或以不适当的方式访问（写只读）
5. 非法指令，试图执行不存在的指令（可能是程序错误地转移到数据区，数据当成了指令）
6. 特权指令出错，用户进程试图执行一条只允许OS执行的指令
7. 运行超时，执行时间超过指定的最大值
8. 等待超时，进程等待某件事超过指定的最大值
9. 算数运算错，试图执行被禁止的运算（被0除）
10. I/O故障

1. 外界干预
2. 操作员或OS干预（死锁）
3. 父进程请求，子进程完成父进程指定的任务时
4. 父进程终止，所有子进程都应该结束

终止过程：

1. 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该PCB，读取进程状态
2. 若处于执行状态：立即终止执行，置调度标志为true，指示该进程被终止后重新调度
3. 若进程有子孙进程：将其所有子孙进程终止
4. 全部资源还给父进程/OS
5. PCB从所在队列/链表中移出

进程阻塞#阻塞的时机/事件

1. 请求共享资源失败，系统无足够资源分配
2. 等待某种操作完成
3. 新数据尚未到达（相互合作的进程）
4. 等待新任务

阻塞过程：进程通过block 进程唤醒# 原语wakeup，和阻塞成对使用 唤醒过程：先把被阻塞的进程从该事件阻塞队列移出，将其PSB状态改为就绪，再插入就绪队列 进程同步#制约关系#

• 资源共享关系（间接制约
• 需要互斥的访问临界资源

• 相互合作关系（直接制约

临界资源：一次只允许一个进程访问的资源

• 引起不可再现性是因为临界资源没有互斥的访问

临界区#

while(1){ entry;//进入区 critical;//临界区 exit;//退出区}

同步机制应该遵循：

• 空闲让进
• 忙则等待
• 有限等待
• 让权等待：不能进入临界区的执行进程放弃cpu执行权

整形信号量# 信号量机制是一种进程间的低级通信方式 s是一个整形量，除了初始化外，仅通过两个原子操作wait(s)和signal(s)访问（也叫P，V操作）

wait(s){while(s<=0); s--;}signal(s){s ;}

互斥关系：A，B共享一个缓冲区，互斥

PA(){ while(1){ wait(s); // 临界区 signal(s); // 剩余区 }}PB(){ while(1){ wait(s); // 临界区 signal(s); // 剩余区 }}main(){s=1;//init// begin PA(); PB(); // end}

前驱关系：P1，P2同步，P2→P1

PA(){ P(s); a1;}PB(){ a2; V(s);}

总结：

• 互斥的模式：PV总是成对出现在同一进程中；
• 同步的模式：PV总是成对出现在不同进程中；
• 前驱关系：有多少前驱关系设置多少个信号量，初值为0；有多少前驱做多少P操作，有多少后继结点做多少V操作，无前驱不做P操作。

信号量表示的是临界资源数 初值为2，表示初始时有2个可用的资源，若现在为-1，说明这两个可用资源已经被占用了，而且有一个进程在等待资源 初值为3，表示初始时有3个可用的资源，若现在为1，表示有两个资源被进程访问了，可用资源变为1，没有进程会等待 为了使两个进程同步运行，至少2个信号量

例题#

1.桌上有一空盘，允许存放一只水果，爸爸可向盘内放苹果或桔子，儿子专等吃桔子，女儿专等吃苹果

semaphore s,so,sa=1,0,0;father(){ while(1) { wait(s); // 将水果放入盘中； if(放入的是桔子) then signal(so); else signal(sa); } }son(){while(1){ wait(so); // 从盘中取出桔子 signal(s); // 吃桔子 }}daughter() { while(1){ wait(sa); // 从盘中取出苹果 signal(s); // 吃苹果 }}main(){ // cobegin father(); son(); daughter(); // coend}

2.某寺庙，有小、老和尚若干，由小和尚提水入缸供老和尚饮用，水缸可容10桶水，水取自同一个井中，水井窄，每次只能容一个桶取水，水桶总数3个，每次入缸取水桶仅为1桶，且不可同时进行，试给出有关取水，入水的算法

mutexj = 1;mutexg = 1;empty = 10;full = 0;count = 3;old(){ while(1) { wait(full);//缸中有无水 wait(count);//有无桶 wait(mutexg);//取水前 Fetch from gang; signal(mutexg); signal(count); signal(empty);//通知小 }}little(){while(1) { wait(empty);//缸中有无空 wait(count);//有无桶 wait(mutexj);//取水前 Fetch from well; signal(mutexj); wait(mutexg);//倒水前 pour; signal(mutexg); signal(count); signal(full);//通知老 }}

记录型信号量# 整形信号量中S<=0就会不断地测试，未遵循让权等待，而是处于忙等 解决方案：建立一个进程链表list，连结所有等待该类资源的进程

typedef struct{ int value; struct process_control_block *list}semaphore;wait(semaphore *S){ S->value--; if(S->value < 0) block(S->list);}signal(semaphore *S){ S->value--; if(S->value <= 0) wakeup(S->list); }

1. S->value>0时，表示系统中可用资源的数目
2. 当S->value＜0时，S->value的绝对值表示阻塞进程的数目
3. 如果S->value的初值为1，表示只允许一个进程访问临界资源，此时的信号量转化为互斥信号量

AND信号量# 要么全分配，要么一个也不分配 不用时有可能发生死锁

Swait(s1,s2,…,sn){ while(1){ if (s1>=1& …&sn >=1){ for(i=1;i<=n;i ) si--; break; } else{ //将进程放入与找到的第一个si<1的si相关的阻塞队列中//并将该进程的程序计数设置为swait操作的开始 }} }Ssignal(s1,s2,…,sn){ while(1){ for (i=1;i<=n;i ){ si ; //将与si关联的队列中等待的所有进程都移动到就绪队列中 } } }

信号量集# 为提高效率而对AND信号量的扩充 允许一次申请多种资源多个 ti为分配下限值，Si>=ti则不分配，di为该进程需求值

Swait(S1, t1, d1, …, Sn, tn, dn){while(1){ if（Si>=ti& … &Sn>=tn) for (i=1;i<=n;i ) Si=Si-di; else{ //将进程放在Si＜ti的第一个Si的阻塞队列中 //并将该进程的程序计数设置为swait操作的开始 } } } Ssignal(S1, d1, …, Sn, dn){ while(1){ for (i=1;i<=n;i ) { Si =Si di; //将与si关联的队列中等待的所有进程都移动到就绪队列中 } }}

Swait(S,d,d)：允许每次申请d个资源，少于d不分配 Swait(S,1,1)：S>1记录型信号量，S=1互斥形信号量 Swait(S,1,0)：可控开关，S>=1时允许同时进入，S<1时不允许 经典进程同步问题#生产者-消费者*# 定义数据结构

int n;typedef item = xxx;//产品类型item buffer [n];//缓冲池int in = 0,out = 0;int counter = 0;//产品数

缓冲池满时，生产者等待；为空时，消费者等待 记录型信号量

semaphore mutex=1，empty=n,full=0item buffer[n]; //缓冲池int in = 0,out = 0;int main(){ cobegin: producer(); consumer(); coend}producer(){ while(1){ … produce an item in nextp; … wait(empty); wait(mutex); buffer[in]=nextp; in=(in 1)%n; signal(mutex); signal(full); } }consumer(){while(1) { wait(full); wait(mutex); nextc=buffer[out]; out=(out 1)%n; signal(mutex); signal(empty); consumer the item in nextc; } }

P操作的顺序至关重要，顺序不当可能导致死锁（有缓冲池使用权，无缓冲） V操作的顺序无关紧要 当缓冲区只有一个时，mutex可省略 AND信号量

semaphore mutex=1,empty=n,full=0;item buffer[n];int in=0,out=0;main(){cobegin producer(); consumer(); coend}producer(){ while(1) { ... produce......; ... Swait(empty,mutex); buffer[int]=nextp; in = (in 1)mod n; Ssignal(mutex,full); }}consumer(){ while(1){ Swait(full,mutex); nextc=buffer[out]; out=(out 1)%n; Ssignal(mutex,empty); consumer......; }}

哲学家进餐#

5个哲学家围坐，用5只筷子吃面，筷子交替摆放 记录型信号量 设5个信号量表示5只筷子 AND信号量 同上 读-写*# 读进程可共享对象，写进程不可 设整形变量readcount读者数，wmutex读写互斥，rmutex互斥访问 记录型信号量：

semaphore rmutex=1,wmutex=1;int readcount=0;int main(){ cobegin: reader(); writer(); coend;}reader(){ while(1){ wait(rmutex); if(readcount==0) wait(wmutex);//无人读才能写 readcount ; signal(rmutex); ... read...... ... wait(rmutex); readcount--; if(readcount==0) signal(wmutex); signal(rmutex); }}writer(){ while(1){ wait(wmutex); ... write...... ... signal(wmutex); }}

写优先

semaphore rmutex=1,wmutex=1,s=1;int readcount=0;int main(){ cobegin: reader(); writer(); coend;}reader(){ while(1){ wait(s);//! wait(rmutex); if(readcount==0) wait(wmutex);//无人读 readcount ; signal(rmutex); signal(s);//! ... read...... ... wait(rmutex); readcount--; if(readcount==0) signal(wmutex); signal(rmutex); }}writer(){ while(1){ wait(s);//! wait(wmutex); ... write...... ... signal(wmutex); signal(s);//! }}

信号量集

#define RN 20//最大读者数semaphore L=RN，mx=1;int main(){ cobegin: reader(); writer(); coend;}reader(){ while(1){swait(L,1,1); swait(mx,1,0); ... read...... ... wait(rmutex); ssignal(L,1); }}writer(){ while(1){swait(mx,1,1); swait(L,RN,0); ... write...... ... ssignal(mx,1); }}

管程# 将同步操作的机制和临界资源结合到一起，避免了要使用临界资源的进程自备同步操作 管程：一个数据结构和能为并发进程所执行的一组操作 包括：1. 局部对于管程的共享变量，2. 对该数据结构操作的一组过程，3. 对局部管程数据设初值

Monitor m_name{//管程名 variable declarations;//共享变量说明 cond declarations;//条件变量说明 public://能被进程调用的过程 void P1(…);//对数据结构的操作过程 {} void P2(…); {} ... void Pn(…); {} ... {//管程主体 //初始化代码 }}

生产者-消费者# 建立管程PC，包括：

• 二过程：put(item)过程；get(item)过程；
• 一变量：count>=n时满，<=0时空
• 初始值：in=out=count=0

Monitor PC{ item buffer[N]; int in out; condition notfull,notempty; int count; public: void put(item x){ if(count>=N)cwait(notfull); buffer[in]=x; in=(in 1)%N; count ; csignal(notempty); } void get(item x){ if(count<=0)cwait(notempty); x=buffer[out]; out=(out 1)%N; count--; csignal(notfull); }}void producer(){ item x; while(1){ //produce PC.put(x); }}void consumer(){ item x; while(1){ PC.get(x); //consume }}