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1.情景引入
C语言代码中的scanf函数会等待用户的输入,那么此时的进程处于闲置的状态
2.操作系统学科对进程状态的分类
例如《 计算机操作系统 慕课版 》第65页:
又如 《 操作系统导论 中译版 》第22页:
又如《 现代操作系统原理与实现》第77页
会发现不同的操作系统书籍对进程的状态的描述都不太一样,但大致分4类:
运行状态、阻塞状态、挂起状态和就绪状态
运行状态
运行状态: 处于运行队列中的进程所处的状态,即进程已经准备好了,可以随时被调度
现认为计算机中只有一个CPU,进程需要占用CPU资源,操而作系统中有很多进程,那么这些进程相互之间一定存在竞争,可以通过调度器保证CPU资源均衡使用,而老师,调度器的其中一个任务是将进程链接到运行队列中,CPU要运行进程时直接在运行队列中队头进程
例如底层为双向链表结构的运行队列:
struct running_queue
{
struct running_queue* head;
struct running_queue* tail;
}
(注意:是进程的PCB在运行队列中排队)
基于时间片的轮转调度算法
思考一个问题:一个进程只要把自己放到CPU上开始运行了,是不是一直要执行完毕才能把自己放下来?
答:如果是死循环呢?如果按上面这样做,死循环进程会一直占用着CPU的资源,而其他进程得不到执行,会导致操作系统崩溃
那么需要保证进程公平被调度,引入基于时间片的轮转算法(调度算法中的一种)
每个进程都有一个叫做时间片的东西,是分时操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段CPU时间,通常很短
当一个进程的时间片到了,CPU会暂停执行该进程,转而执行下一个进程,这叫进程切换.暂停执行的进程如果没有执行完,会继续排队
进程切换: 大量的把进程从CPU上放上去,再拿下来的动作
阻塞状态
阻塞状态:进程无法继续执行,处于正在等待某个资源就绪的状态
等待的事件可能为:
1. 等待特定设备,例如IO设备
2. 等待操作系统某些服务,例如内核返回数据
3. 等待其他进程中需要获取的数据
4. 等待子进程退出
等待IO设备的例子
假设进程A要读取硬件数据,例如键盘
先想想操作系统是什么管理硬件的?
答:先描述再组织.描述硬件可以用结构体对象,而组织硬件就是将硬件对应的结构体连接起来
当没有从键盘键入数据时,进程A在等待设备,不能放到运行队列中,要放到等待队列(每个硬件的结构体中有等待队列)中
由于处于阻塞状态的进程的PCB在等待队列中,不在运行队列中,则进程不占用CPU资源,因此在用户看来,进程"卡"住了
等待其他进程中需要获取的数据
之前在OS8.【Linux】基本权限(上)文章提到过,fifo可用于终端之间的通信,现在演示阻塞状态
先创建fifo文件:
mkfifo myfifo再用XShell复制一份选项卡:
写入字符串时,如果另一个终端没有接收会导致进程阻塞:
如果另一个终端接收了:
原理:
命名管道是一端写入另一端读取的通信机制,在写入命名管道的时如果没有任何进程在读取,它就会阻塞,直到有一个读取方连接上来
进程唤醒
定义: 从阻塞状态到运行状态
挂起状态(全称为阻塞挂起状态)
1.当操作系统的内存资源严重不足时,为了保证操作系统自己运行正常,需要节省内存资源
2.如果某个进程在等待,它无事可做,那么操作系统就保留该进程的PCB,但代码和数据放到外设(磁盘)中,这叫调离内存,也称为换出
了解: 如何确定进程在内存中还是在外设中,可以看段描述符
(摘自《x86汇编语言:从实模式到保护模式 第二版》)
简单谈谈虚拟内存管理
当程序超出了物理内存的大小时,或者操作系统无法分配这么大的物理内存空间时,操作系统要使用虚拟内存管理
下面摘自《x86汇编语言:从实模式到保护模式 第二版》
3.挂起状态:处于调离内存状态的进程
4.当条件允许时,操作系统会将该进程调回内存,也称为换入.如果这个进程所有资源已经就绪了,那么只剩调度了,就会按操作系统设计的调度算法来调度进程,可以认为该进程处于运行状态
5.挂起状态全称为阻塞挂起状态: 只要是等待资源的进程都可以说阻塞
就绪状态
就绪状态: 处于已准备好执行的状态的进程 即满足调度的条件了,但是CPU没调度他(预备执行)
*注:就绪状态和运行状态不用区分那么仔细,因为因为CPU调度是很快的,一般只要进程在运行队列里面,就可以认为是运行状态
笔面试题
得物二面:阻塞态和就绪态会占用CPU吗?
答: 1.阻塞态从大的角度说是不影响的,因为阻塞是阻塞在IO或者其他上了,自然不被CPU调度,不占用CPU 2.就绪态从大的角度说是等待被调度,而等待被调度自然还没有占用CPU
科大讯飞笔试:进程的状态? 什么情况触发就绪,什么情况触发阻塞?
答:见上方总结
快手一面;就绪态和运行态的区别?
答:见上方总结
3.Linux对进程状态的分类
看看Linux内核源代码对进程状态的定义:
在fs/proc/array.c下:https://github.com/torvalds/linux/blob/master/fs/proc/array.c
/*
* 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[] = {
/* states in TASK_REPORT: */
"R (running)", /* 0x00 */
"S (sleeping)", /* 0x01 */
"D (disk sleep)", /* 0x02 */
"T (stopped)", /* 0x04 */
"t (tracing stop)", /* 0x08 */
"X (dead)", /* 0x10 */
"Z (zombie)", /* 0x20 */
"P (parked)", /* 0x40 */
/* states beyond TASK_REPORT: */
"I (idle)", /* 0x80 */
};以这个测试代码为例说明R和S状态:
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
while(1)
{
printf("The process is runnning...\n");
}
return 0;
}R和S状态
运行上方代码,再开一个终端捕获该进程的运行状态:
发现多次捕获发现a.out进程都是"S+"状态.不是R状态
答:这是一个概率问题,R状态相比S状态存在的时间极短,此进程绝大部分时间在等待IO设备(这里是显示器),即处于睡眠状态S (sleeping)
又比如bash命令行解释器,其大部分时间在等待用户的输入,处于S状态
修改以上代码:
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
while(1);
return 0;
}捕获结果:
执行while(1);是不需要等待显示器资源的,因此进程处于R状态,一直在执行
前台运行
注:R+和S+的+指的是前台运行,即通过终端展示前台进程的信息
进一步解释:进程运行是在内存中通过操作系统的调度算法+ CPU来完成的.进程在运行时,开发者一定是想知道进程的一些调试信息的,所以有的进程会看调用printf、scanf等函数,而这些函数都是与外设来交互的,那么使用printf时,就是向显示器文件输出的,即通过终端呈现出来,对于scanf,输入时,用户也需要要知道自己输入了什么,需要在显示器文件中显示的,也是通过终端来完成的.因此终端主要是展示前台进程的信息的
如果是后台进程,它们的debug信息不可以向终端输出,只能向文件输出,也就是日志
1.在bash中执行命令时默认是前台运行
2.和前台运行对应的是后台运行,在命令后加&可以让进程在后台运行
例如运行刚刚的程序:
终端返回了进程的PID : 11628
可以用kill来杀死进程,Ctrl+C是没有用的
结论
R (running)状态相当于操作系统的运行状态,而S (sleeping)状态相当于操作系统的阻塞状态
D状态
D状态:处于等待某些不可中断的资源状态的进程
例如进程正在向磁盘中写入数据时,进程需要等待写入磁盘的结果
进一步解释:进程A正在向磁盘中写入数据时,如果操作系统的内存资源严重不足,如果操作系统杀死正在等待磁盘写入结果的进程A,那么设想一下: 如果磁盘写入失败,那么磁盘无法报告给进程A,有丢失数据的风险,这会出问题
解决方法:让进程A在等待磁盘写入完毕期间,该进程不能被操作系统杀掉,则进程A处于D状态
对比S状态和D状态,S状态是浅度睡眠,而D状态是深度睡眠,而且深度睡眠和浅度睡眠都是等待某资源就绪,因此都属于阻塞状态
浅度睡眠(S状态又称为Interruptible Sleep n.可中断睡眠)可以被唤醒,而深度睡眠是不能被唤醒的,称为Uninterruptible Sleep n.不可中断睡眠,处于D状态的进程是操作系统(注意主体!!)是无法使用kill命令杀死的,而且该进程不会响应任何请求
Uninterruptible Sleep State
An Uninterruptible sleep state is one that won't handle a signal right away. It will wake only as a result of a waited-upon resource becoming available or after a time-out occurs during that wait (if the time-out is specified when the process is put to sleep).
The Uninterruptible state is mostly used by device drivers waiting for disk or network I/O. When the process is sleeping uninterruptibly, signals accumulated during the sleep are noticed when the process returns from the system call or trap. In Linux systems. the command ps -l uses the letter D in the state field (S) to indicate that the process is in an Uninterruptible sleep state. In that case, the process state flag is set as
follows:
p->state = TASK_UNINTERRUPTABLE
LEARN MORE: Read more about D states in the Red Hat Knowledgebase:
https://access.redhat.com/knowledge/solutions/59989/
实验:模拟高IO访问的情况
模拟处于D状态的进程,例如生成一个较大的文件:
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <cstdlib>
#include <string.h>
#include <random>
#include <ctime>
#include <climits>
#define BUFFER_SIZE 1024 * 1024 * 5//5MB缓冲区
int main()
{
// 分配缓冲区
unsigned long long* buffer = (unsigned long long*)malloc(BUFFER_SIZE);
if (buffer == NULL)
{
perror("malloc fail");
return -1;
}
std::uniform_int_distribution<unsigned long long> distribution(0, ULLONG_MAX);
std::default_random_engine generator;
// 打开文件
printf("create random numbers.bin......\n");
FILE* fptr = fopen("random numbers.bin", "wb");
if (fptr == NULL)
{
perror("Fail to open file!\n");
free(buffer);
return -1;
}
printf("writing data......\n");
srand((unsigned int)time(NULL));
int times =2048;
while (times--)
{
//先填满缓冲区
unsigned long long buf_index = 0;
while (buf_index < BUFFER_SIZE/8)
{
unsigned long long random = distribution(generator);
buffer[buf_index] = random;
buf_index++;
}
printf("write buffer%d,bin file's size:%dMB\n", 2048 - times, (2048 - times)*5);
fwrite(buffer, sizeof(unsigned long long), BUFFER_SIZE / sizeof(unsigned long long), fptr);
}
printf("done!\n");
printf("free buffer......\n");
free(buffer);
printf("close file......\n");
fclose(fptr);
printf("press any key to quit\n");
getchar();
return 0;
}运行结果:
结论
1.D状态本身是操作系统正常处理IO的表现,一般处于D状态的进程持续时间较短
2.但如果大量进程持续处于D状态,会占用大量资源,操作系统会负载,容易产生故障
拓展阅读可以看看闪客大佬这篇文章:闪客 什么叫进程被 D 了
T和t状态
T和t状态的区别暂时不讲,当然认为都是暂停状态
T状态
例如执行以下代码
#include <stdio.h>
int main()
{
while(1);
return 0;
}
使用kill -l命令查看所有能发送的信号
向进程发送19号信号SIGSTOP:
kill -19 92159再次使用ps命令查看:进程被暂停
向进程发送18号信号可继续执行:
t状态
int main()
{
return 0;
}使用gdb(有关gdb的使用参见OS15.【Linux】gdb调试器的简单使用文章)在return 0处下断点,
之后使用ps命令查看:发现进程a.out处于t状态,因为gdb控制了a.out进程
结论
处于T或t状态的进程可能被其他进程控制
X状态
X状态(dead):进程处于终止状态
注意:X状态只是一个返回状态,任务列表里是看不到这个状态的
4.交换分区的简单了解
在linux中,将进程换出到磁盘,实际上换出到交换分区(swap分区)
可以在Linux mint桌面版的系统监视器中看到:
两个命令查看交换分区
在Linux mint桌面版下演示:
swapon --show
free -h
