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）

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=0 item 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 } }

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