三態(tài)模型/五態(tài)模型/七態(tài)模型說(shuō)明 Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

三態(tài)模型

一個(gè)進(jìn)程從創(chuàng)建而產(chǎn)生至撤銷而消亡的整個(gè)生命周期，可以用一組狀態(tài)加以刻劃，根據(jù)三態(tài)模型，進(jìn)程的生命周期可分為如下三種進(jìn)程狀態(tài)： 1. 運(yùn)行態(tài)(running):占有處理器正在運(yùn)行 2. 就緒態(tài)(ready):具備運(yùn)行條件，等待系統(tǒng)分配處理器以便運(yùn)行 3. 等待態(tài)(blocked):不具備運(yùn)行條件，正在等待某個(gè)事件的完成。

下面是三個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換圖：

運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程將由于出現(xiàn)等待事件而進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)?shù)却录Y(jié)束之后等待狀態(tài)的進(jìn)程將進(jìn)入就緒狀態(tài)，而處理器的調(diào)度策略又會(huì)引起運(yùn)行狀態(tài)和就緒狀態(tài)之間的切換。

引起進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因如下：

運(yùn)行態(tài)—→等待態(tài)：等待使用資源；如等待外設(shè)傳輸；等待人工干預(yù)。

等待態(tài)—→就緒態(tài)：資源得到滿足；如外設(shè)傳輸結(jié)束；人工干預(yù)完成。

運(yùn)行態(tài)—→就緒態(tài)：運(yùn)行時(shí)間片到；出現(xiàn)有更高優(yōu)先權(quán)進(jìn)程。

就緒態(tài)—→運(yùn)行態(tài)：CPU 空閑時(shí)選擇一個(gè)就緒進(jìn)程。

五態(tài)模型

在一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)里進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換比上節(jié)敘述的會(huì)復(fù)雜一些，例如引入專門的新建態(tài)（new）和終止態(tài)（exit ）

狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下所示：

?

新建態(tài)對(duì)應(yīng)于進(jìn)程剛剛被創(chuàng)建的狀態(tài)。創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程要通過(guò)兩個(gè)步驟，

為一個(gè)新進(jìn)程創(chuàng)建必要的管理信息，

讓該進(jìn)程進(jìn)入就緒態(tài)。此時(shí)進(jìn)程將處于新建態(tài)，它并沒(méi)有被提交執(zhí)行，而是在等待操作系統(tǒng)完成創(chuàng)建進(jìn)程的必 要操作。需要注意的是，操作系統(tǒng)有時(shí)將根據(jù)系統(tǒng)性能或主存容量的限制推遲新建態(tài)進(jìn)程的提交

類似地，進(jìn)程的終止也要通過(guò)兩個(gè)步驟，首先,是等待操作系統(tǒng)進(jìn)行善后，然后,退出主存。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到達(dá)了自然結(jié)束點(diǎn)，或是出現(xiàn)了無(wú)法克服的錯(cuò)誤，或是被操作系統(tǒng)所終結(jié)，或是被其他有終止權(quán)的進(jìn)程所終結(jié)，它將進(jìn)入終止態(tài)。進(jìn)入終止態(tài)的進(jìn)程以后不再執(zhí)行，但依然臨時(shí)保留在操作系統(tǒng)中等待善后。一旦其他進(jìn)程完成了對(duì)終止態(tài)進(jìn)程的信息抽取之后，操作系統(tǒng)將刪除該進(jìn)程。

引起進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因如下：

NULL—→新建態(tài)：執(zhí)行一個(gè)程序，創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。

新建態(tài)—→就緒態(tài)：當(dāng)操作系統(tǒng)完成了進(jìn)程創(chuàng)建的必要操作，并且當(dāng)前系統(tǒng)的性能和虛擬內(nèi)存的容量均允許。

運(yùn)行態(tài)—→終止態(tài)：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到達(dá)了自然結(jié)束點(diǎn)，或是出現(xiàn)了無(wú)法克服的錯(cuò)誤，或是被操作系統(tǒng)所終結(jié)，或是被其他有終止權(quán)的進(jìn)程所終結(jié)。

終止態(tài)—→NULL：完成善后操作。

就緒態(tài)—→終止態(tài)：未在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中顯示，但某些操作系統(tǒng)允許父進(jìn)程終結(jié)子進(jìn)程。

等待態(tài)—→終止態(tài)：未在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中顯示，但某些操作系統(tǒng)允許父進(jìn)程終結(jié)子進(jìn)程。

七態(tài)模型

進(jìn)程的掛起

到目前為止，我們或多或少總是假設(shè)所有的進(jìn)程都在內(nèi)存中。事實(shí)上，可能出現(xiàn)這樣一些情況，例如由于進(jìn)程的不斷創(chuàng)建，系統(tǒng)的資源已經(jīng)不能滿足進(jìn)程運(yùn)行的要求，這個(gè)時(shí)候就必須把某些進(jìn)程掛起（suspend），對(duì)換到磁盤鏡像區(qū)中，暫時(shí)不參與進(jìn)程調(diào)度，起到平滑系統(tǒng)操作負(fù)荷的目的。

引起進(jìn)程掛起的原因是多樣的，主要有：

系統(tǒng)中的進(jìn)程均處于等待狀態(tài)，處理器空閑，此時(shí)需要把一些阻塞進(jìn)程對(duì)換出去，以騰出足夠的內(nèi)存裝入就緒進(jìn)程運(yùn)行。

進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)資源，導(dǎo)致系統(tǒng)資源不足，負(fù)荷過(guò)重，此時(shí)需要掛起部分進(jìn)程以調(diào)整系統(tǒng)負(fù)荷 ,保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性或讓系統(tǒng)正常運(yùn)行。

把一些定期執(zhí)行的進(jìn)程（如審計(jì)程序、監(jiān)控程序、記賬程序）對(duì)換出去，以減輕系統(tǒng)負(fù)荷。

用戶要求掛起自己的進(jìn)程，以便根據(jù)中間執(zhí)行情況和中間結(jié)果進(jìn)行某些調(diào)試、檢查和改正。

父進(jìn)程要求掛起自己的后代進(jìn)程，以進(jìn)行某些檢查和改正。

操作系統(tǒng)需要掛起某些進(jìn)程，檢查運(yùn)行中資源使用情況，以改善系統(tǒng)性能;或當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或某些功能受到破壞時(shí)，需要掛起某些進(jìn)程以排除故障。

七態(tài)模型描述

下面是具有七態(tài)模型的進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換：

?

?

在此類系統(tǒng)中，進(jìn)程增加了兩個(gè)新?tīng)顟B(tài)：

掛起就緒態(tài)（ready,suspend）

掛起就緒態(tài)表明了進(jìn)程具備運(yùn)行條件但目前在二級(jí)存儲(chǔ)器中，只有當(dāng)它被對(duì)換到主存才能被調(diào)度執(zhí)行 掛起等待態(tài)（blocked,suspend）掛起等待態(tài)則表明了進(jìn)程正在等待某一個(gè)事件且在二級(jí)存儲(chǔ)器中。

引起進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因如下：

等待態(tài)—→掛起等待態(tài)：如果當(dāng)前不存在就緒進(jìn)程，那么至少有一個(gè)等待態(tài)進(jìn)程將被對(duì)換出去成為掛起等待態(tài)；操作系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前資源狀況和性能要求，可以決定把等待態(tài)進(jìn)程對(duì)換出去成為掛起等待態(tài)。

掛起等待態(tài)—→掛起就緒態(tài)：引起進(jìn)程等待的事件發(fā)生之后，相應(yīng)的掛起等待態(tài)進(jìn)程將轉(zhuǎn)換為掛起就緒態(tài)。

掛起就緒態(tài)—→就緒態(tài)：當(dāng)內(nèi)存中沒(méi)有就緒態(tài)進(jìn)程，或者掛起就緒態(tài)進(jìn)程具有比就緒態(tài)進(jìn)程更高的優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)將把掛起就緒態(tài)進(jìn)程轉(zhuǎn)換成就緒態(tài)。

就緒態(tài)—→掛起就緒態(tài)：操作系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前資源狀況和性能要求，也可以決定把就緒態(tài)進(jìn)程對(duì)換出去成為掛起就緒態(tài)。

掛起等待態(tài)—→等待態(tài)：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程等待一個(gè)事件時(shí)，原則上不需要把它調(diào)入內(nèi)存。但是在下面一種情況下，這一狀態(tài)變化是可能的。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程退出后，主存已經(jīng)有了一大塊自由空間,而某個(gè)掛起等待態(tài)進(jìn)程具有較高的優(yōu)先級(jí)并且操作系統(tǒng)已經(jīng)得知導(dǎo)致它阻塞的事件即將結(jié)束，此時(shí)便發(fā)生了這一狀態(tài)變化。

運(yùn)行態(tài)—→掛起就緒態(tài)：當(dāng)一個(gè)具有較高優(yōu)先級(jí)的掛起等待態(tài)進(jìn)程的等待事件結(jié)束后，它需要搶占 CPU，，而此時(shí)主存空間不夠，從而可能導(dǎo)致正在運(yùn)行的進(jìn)程轉(zhuǎn)化為掛起就緒態(tài)。另外處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程也可以自己掛起自己。

新建態(tài)—→掛起就緒態(tài)：考慮到系統(tǒng)當(dāng)前資源狀況和性能要求，可以決定新建的進(jìn)程將被對(duì)換出去成為掛起就緒態(tài)。

可以把一個(gè)掛起進(jìn)程等同于不在主存的進(jìn)程，因此掛起的進(jìn)程將不參與進(jìn)程調(diào)度直到它們被對(duì)換進(jìn)主存。

一個(gè)掛起進(jìn)程具有如下特征：

該進(jìn)程不能立即被執(zhí)行。

掛起進(jìn)程可能會(huì)等待一個(gè)事件，但所等待的事件是獨(dú)立于掛起條件的，事件結(jié)束并不能導(dǎo)致進(jìn)程具備執(zhí)行條件。

進(jìn)程進(jìn)入掛起狀態(tài)是由于操作系統(tǒng)、父進(jìn)程或進(jìn)程本身阻止它的運(yùn)行。

結(jié)束進(jìn)程掛起狀態(tài)的命令只能通過(guò)操作系統(tǒng)或父進(jìn)程發(fā)出。

Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)程

/*
* The task state array is a strange "bitmap" of 
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and 
* you can test for combinations of others with 
* simple bit tests. 
*/
static const char * const task_state_array[] = { 
    "R (running)", /* 0 */ 
    "S (sleeping)", /* 1 */ 
    "D (disk sleep)", /* 2 */ 
    "T (stopped)", /* 4 */ 
    "t (tracing stop)", /* 8 */ 
    "X (dead)", /* 16 */ 
    "Z (zombie)", /* 32 */ 
};

?

從Linux源碼中可以看出，Linux下有7中進(jìn)程狀態(tài)：

R運(yùn)行狀態(tài)（Running）：處于運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程并不帶表一定就正在被CPU調(diào)度運(yùn)行，它包括了正在被CPU運(yùn)行的進(jìn)程和可以被CPU調(diào)度運(yùn)行的程序，也就是說(shuō)改狀態(tài)包含了三狀態(tài)模型中的就緒態(tài)和運(yùn)行態(tài)。

S睡眠狀態(tài)（Sleeping）：處于改狀態(tài)的進(jìn)程表示該進(jìn)程正在等待某時(shí)間的完成，通常也稱為可中斷睡眠狀態(tài)，該狀態(tài)屬于三狀態(tài)模型中的阻塞態(tài)。

D磁盤休眠狀態(tài)（disk sleep）：該狀態(tài)也叫做不可中斷睡眠狀態(tài)，處于該狀態(tài)的進(jìn)程通常都在等待I/O操作的結(jié)束，該狀態(tài)也屬于三狀態(tài)模型中的阻塞態(tài)。

T停止?fàn)顟B(tài)（stopped）：我們可以通過(guò)向進(jìn)程發(fā)送SIGSTOP信號(hào)讓目標(biāo)進(jìn)程處于停止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)向處于停止?fàn)顟B(tài)的進(jìn)程發(fā)送SIGCON信號(hào)讓目標(biāo)進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行，該狀態(tài)也屬于三狀態(tài)模型中的阻塞態(tài)。

t追蹤停止?fàn)顟B(tài)（tracing stop）：

X死亡狀態(tài)（dead）：該狀態(tài)只是一個(gè)返回狀態(tài)，不會(huì)在任務(wù)列表中見(jiàn)到，該狀態(tài)屬于退出狀態(tài)。

Z僵尸狀態(tài)（zombie）：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程退出，但它的父進(jìn)程并沒(méi)有去收回該進(jìn)程的信息時(shí)，該進(jìn)程所處的狀態(tài)叫做僵尸狀態(tài)，該狀態(tài)屬于退出狀態(tài)。

Linux系統(tǒng)進(jìn)程狀態(tài)間的切換

?

創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，操作系統(tǒng)會(huì)為該新進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)空白PCB（task_struct）,用來(lái)存儲(chǔ)該進(jìn)程的各項(xiàng)信息。