进程状态

引言

操作系统进程状态允许通过监控每个进程的当前状态——无论是正在运行、就绪、阻塞还是已终止——并相应地分配资源，从而有效地管理资源。

状态图

进程从创建到完成会经历各种状态。最少有五种状态。

虽然进程在执行期间可能处于以下某种状态，但状态的名称并非标准化。

1. 新建 (New)

将要被操作系统载入主内存的程序称为新进程。

2. 就绪 (Ready)

每当一个进程被创建时，它会直接进入就绪状态，在该状态下，它等待 CPU 的分配。操作系统从二级存储器中选取新进程并将它们全部放入主内存。

准备好执行并驻留在主内存中的进程称为就绪状态进程。就绪状态可以有很多进程。

3. 运行 (Running)

操作系统将根据调度算法从就绪状态中选择一个进程。因此，如果我们系统中只有一个 CPU，那么在特定时间运行的进程数量将始终为一。如果我们系统中有 n 个处理器，那么我们可以同时运行 n 个进程。

4. 阻塞或等待 (Block or wait)

从运行状态，进程可能会根据调度算法或进程的内在行为转换到阻塞或等待状态。

当一个进程等待某个资源被分配或等待用户输入时，操作系统会将该进程移至阻塞或等待状态，并将 CPU 分配给其他进程。

5. 完成或终止 (Completion or termination)

当一个进程完成其执行时，它会进入终止状态。进程的所有上下文（进程控制块）也将被删除，进程将被操作系统终止。

6. 挂起就绪 (Suspend ready)

就绪状态下的进程，由于资源（主要是主内存）不足而被移出主内存到二级存储器，称为挂起就绪状态。

如果主内存已满，并且有优先级更高的进程要执行，那么操作系统必须通过将低优先级进程移出到二级存储器来为主进程腾出主内存空间。挂起就绪进程将保留在二级存储器中，直到主内存可用。

7. 挂起等待 (Suspend wait)

与其将进程从就绪队列中移除，不如移除在主内存中等待某些资源的阻塞进程。由于它已经在等待某些资源可用，因此最好让它在二级存储器中等待，并为主优先级进程腾出空间。一旦主内存可用并且它们的等待结束，这些进程就会完成执行。

进程操作

1. 创建 (Creation)

一旦进程被创建，它将进入就绪状态并进入就绪队列（主内存），准备执行。

2. 调度 (Scheduling)

在就绪队列中的众多进程中，操作系统选择一个进程并开始执行它。选择下一个要执行的进程称为调度。

3. 执行阶段

一旦进程被调度执行，处理器就开始执行它。进程在执行过程中可能会进入阻塞或等待状态，在这种情况下，处理器会开始执行其他进程。

4. 删除/杀死 (Deletion/killing)

一旦进程的目的完成，操作系统就会杀死该进程。进程的上下文（PCB）将被删除，进程将被操作系统终止。

5. 阻塞 (Blocking)

当进程等待某个事件或资源时，它会被阻塞。在事件或资源可用之前，操作系统会将其置于阻塞状态，阻止其执行。

6. 恢复 (Resumption)

当导致进程阻塞的资源或事件可用时，进程将从阻塞状态中移除并放回就绪队列。

7. 上下文切换 (Context Switching)

当操作系统在进程之间切换时，必须加载后续进程的上下文以运行，并保存当前运行进程的上下文。

8. 进程间通信 (Inter Process Communication)

为了交换信息或计划操作，进程可能需要相互通信。消息传递、共享内存和同步原语是一些操作系统促进进程间通信的方式。

9. 进程同步 (Process Synchronization)

关键代码或共享资源可能需要由多个进程并发访问。通过操作系统提供的同步机制，一次只有一个进程可以访问资源或关键区域。

10. 进程状态 (Process States)

进程可以处于各种状态，例如就绪、运行、等待或终止。进程状态和转换由操作系统控制。

进程状态的特征

如果运行中的进程需要等待某个资源可用，它可以切换到等待状态。

1. 当进程获得其正在等待的资源时，它可以从等待状态转换为就绪状态。
2. 当操作系统选择执行某个进程时，它可以从就绪状态转换为运行状态。
3. 操作系统的调度算法选择就绪状态中的哪个进程来运行。
4. 为了给其他进程腾出运行空间，操作系统也可能将一个进程从运行状态移到就绪状态。
5. 当一个进程完成运行时，它可以从运行状态切换到终止状态。
6. 如果一个进程被操作系统或其他进程终止，它可以直接从等待状态进入终止状态。
7. 虽然一个进程在其生命周期中可能多次经历就绪、运行和等待状态，但它只经历一次新建和终止状态。
8. 进程状态包含有关内存分配、CPU 寄存器、程序计数器以及进程使用的其他资源的信息。
9. 操作系统为每个进程分配一个进程控制块 (PCB)，其中包含进程状态、优先级、调度和其他相关详细信息。
10. 进程状态图是操作系统进程管理中的一个关键概念，用于说明进程在各种状态之间的变化。

操作系统进程状态的好处

以下是操作系统进程状态的一些好处：

1. 进程状态使资源分配更加有效。
2. 通过有效的进程状态管理可以避免错误和崩溃。
3. 通过有效的 CPU 时间分配可以保证系统的响应能力。
4. 借助进程状态，我们可以防御安全威胁。
5. 进程状态监控有助于识别和解决问题。

操作系统进程状态的缺点

以下是操作系统进程状态的缺点：

1. 同时运行的进程的最大数量。
2. 在整个过程中任何时候都可能发生死锁。
3. 竞争条件可能导致行为不可预测。
4. 进程状态可能会使系统更加复杂。

结论

操作系统利用进程状态来有效管理系统资源。为了使操作系统能够最佳地分配 CPU 时间、内存和 I/O 资源，必须监控每个进程的当前状态。开发人员和系统管理员可以通过更好地理解各种进程状态来创建和优化系统以更有效地运行。操作系统可以通过适当的进程状态管理来保证系统的响应能力、稳定性和可靠性。

常见问题解答 - FAQs

1. 什么是操作系统进程状态？

答案： 进程状态是指进程可以处于的各种状态，包括就绪、运行、阻塞和终止。

2. 为什么操作系统进程状态很重要？

答案： 为了让操作系统能够有效地管理资源并保持系统的响应能力和稳定性，进程状态至关重要。

3. 操作系统管理进程的状态有哪些？

答案： 为了管理进程状态，操作系统采用调度算法，根据进程的当前状态将其内存、CPU 时间和 I/O 资源分配给进程。

4. 当一个阻塞进程处于活动状态时会发生什么？

答案： 处于阻塞状态的进程正在等待特定事件，例如用户输入或磁盘数据。在事件发生之前，操作系统将暂停该进程。

5. 运行状态与就绪状态有何不同？

答案： 当进程正在积极使用 CPU 时，它处于运行状态；当它等待 CPU 时间时，它处于就绪状态。

6. 终止状态的作用是什么？

答案： 处于终止状态的进程已完成运行并已从系统中删除。