操作系统面试题 — 进程有几种状态，它们之间是如何转换的？

Cyan_RA9
47 阅读8分钟

Author : Cyan_RA9
Source : 【卡码笔记】网站
Question : 进程有几种状态，它们之间是如何转换的？

【简要回答】

进程的五状态模型

  1. 创建态（New）：
    进程正在被创建，操作系统将根据系统资源的占用情况，为其分配内存、PID等资源，但尚未加入调度队列。
  2. 就绪态（Ready）：
    进程已获得除 CPU 外的所有资源，等待被调度程序选中，上处理器执行。
  3. 执行态（Running）：
    进程占用 CPU 执行指令，是唯一真正在运行的状态。
  4. 阻塞态（Blocked）：
    进程因等待外部事件（如 I/O 完成、信号量释放）暂停执行，主动让出 CPU。
  5. 终止态（Terminated）：
    进程执行完毕或异常退出（如Linux中向进程发送KILL信号），操作系统回收其资源并销毁进程控制块（PCB）。

“五状态模型”中的状态切换

  1. 创建态 → 就绪态：
    • 原因：操作系统完成资源分配（内存、PID等），将进程加入就绪队列。
  2. 就绪态 → 执行态：
    • 原因：调度程序根据当前调度算法（如时间片轮转、优先级调度）选中该进程并分配 CPU。
  3. 执行态 → 就绪态：
    • 原因：当前正在执行的进程时间片耗尽或被更高优先级的进程抢占，进程重新回到就绪队列。
  4. 执行态 → 阻塞态：
    • 原因：进程主动等待资源（如 read() 请求磁盘 I/O）或事件（如 sleep()）。
  5. 阻塞态 → 就绪态：
    • 原因：等待的资源空闲或事件完成（如 I/O 结束、信号量释放），进程可被调度，重新加入就绪队列中。
  6. 执行态 → 终止态：
    • 原因：进程运行完毕正常退出（如exit()）或发生错误被强制终止（如 kill -9）。

【详细回答】

五状态模型

  • 进程的五状态模型：
    1. 创建态（New）
      • 基本概念：进程正在被创建，操作系统为其分配内存、PID 等基础资源，但尚未加入调度队列。
      • 资源占用：已分配 PCB（进程控制块）和少量内存，未占用 CPU，可能还需要等待其他所需资源。
      • 操作系统行为：初始化 PCB，加载程序代码到内存，完成资源分配后将其加入就绪队列。
    2. 就绪态（Ready）
      • 基本概念：进程已获得除 CPU 外的所有资源，等待被调度程序选中执行，上处理器执行。
      • 资源占用：占用内存、文件句柄等资源，未占用 CPU。
      • 操作系统行为：维护就绪队列，通过调度算法（如时间片轮转、优先级）选择下一个运行进程。
    3. 执行态（Running）
      • 基本概念：进程占用 CPU 执行指令，是唯一真正在运行的状态。
      • 资源占用：占用 CPU、内存及其他运行所需的资源（如打开的文件）。
      • 操作系统行为：处理时钟中断、系统调用，保存和恢复进程上下文。
    4. 阻塞态（Blocked）
      • 基本概念：进程因等待外部事件（如 I/O 完成、信号量释放）主动让出 CPU。
      • 资源占用：未占用CPU，可能还需要等待其他所需资源。
      • 操作系统行为：将进程移入阻塞队列，监控等待事件的状态。
    5. 终止态（Terminated）
      • 基本概念：进程执行完毕或异常退出（如Linux中向进程发送KILL信号，或Windows下在任务管理器中结束进程），操作系统回收其资源并销毁进程控制块（PCB）。
      • 资源占用：释放所有资源（内存、文件、PID 等）。
      • 操作系统行为：回收该进程拥有资源，销毁 PCB，并通知父进程（通过 wait() 系统调用），更新进程状态表。
  • 五状态模型中的状态切换：
    1. 创建态 → 就绪态
      • 触发条件：进程创建成功，操作系统完成资源分配（内存、PID、PCB 初始化）。
      • 典型场景：用户执行命令（如 ./a.out）或程序调用 fork() 创建子进程。
    2. 就绪态 → 执行态
      • 触发条件：调度程序根据特定的进程调度算法（如时间片轮转、抢占式优先级调度）选中处于就绪态的进程并分配 CPU。
      • 典型场景：就绪队列中的进程被调度程序选中，开始执行。
    3. 执行态 → 就绪态
      • 触发条件：时间片耗尽或被更高优先级进程抢占。
      • 典型场景：多任务操作系统中进程切换（如 Linux 的 CFS 调度器）。
    4. 执行态 → 阻塞态
      • 触发条件：进程主动等待资源或事件（如 read() 请求磁盘 I/O）。
      • 典型场景：进程调用 sleep() 暂停执行，或等待互斥锁释放。
    5. 阻塞态 → 就绪态
      • 触发条件：等待的事件完成（如 I/O 操作结束、信号量释放）。
      • 典型场景：磁盘数据读取完成，唤醒等待该 I/O 的进程。
    6. 执行态 → 终止态
      • 触发条件：进程正常退出（exit()）或被强制终止（如 kill -9）。
      • 典型场景：程序执行完毕或发生致命错误（如段错误）。

三状态模型

  • 进程的三状态模型：（来自“五状态模型”）
    1. 就绪态（Ready）
    2. 执行态（Running）
    3. 阻塞态（Blocked）
  • 三状态模型中的状态切换：
    1. 就绪态 → 执行态
      • 触发条件：调度程序选中处于就绪态的进程，并为其分配 CPU 时间片。
      • 典型场景：进程从就绪队列中被选中，开始运行。
    2. 执行态 → 就绪态
      • 触发条件：时间片耗尽或被更高优先级进程抢占。
      • 典型场景：多任务系统中的进程切换。
    3. 执行态 → 阻塞态
      • 触发条件：进程主动请求资源（如 I/O 请求），因资源不可用而等待。
      • 典型场景：调用 read() 读取磁盘数据。
    4. 阻塞态 → 就绪态
      • 触发条件：等待的事件完成（如 I/O 完成）。
      • 典型场景：磁盘数据就绪，唤醒阻塞进程。

七状态模型

  • 进程的七状态模型：（相比“五状态模型”多了下面2种状态）
    • 这两个状态的引入主要是为了解决内存资源不足的问题，通过将暂时不运行的进程从内存移到外存（交换区），从而释放内存空间。
    • 就绪挂起态（Ready Suspended） ：进程位于外存中，但已具备运行条件（只要调入内存即可执行）。
    • 阻塞挂起态（Blocked Suspended） ：进程位于外存中，并正在等待某个事件（如I/O完成）。
  • 七状态模型中的状态切换：（相比“五状态模型”多了下面5种切换场景）
    1. 就绪态 → 就绪挂起态
      • 触发条件：内存不足，操作系统主动换出进程以释放内存。
      • 典型场景：系统高负载时，将低优先级就绪进程换出内存。
    2. 就绪挂起态 → 就绪态
      • 触发条件：内存充足，操作系统将进程换入内存。
      • 典型场景：用户手动恢复挂起的进程（如 fg 命令）。
    3. 阻塞态 → 阻塞挂起态
      • 触发条件：内存不足且进程等待的事件耗时较长。
      • 典型场景：换出等待网络 I/O 或用户输入的进程。
    4. 阻塞挂起态 → 阻塞态
      • 触发条件：内存充足且事件未完成，操作系统将进程换入内存继续等待。
      • 典型场景：内存释放后恢复进程，但事件仍需等待（如用户输入未就绪）。
    5. 阻塞挂起态 → 就绪挂起态
      • 触发条件：等待的事件完成，但内存仍然不足，无法换入内存。
      • 典型场景：磁盘 I/O 完成，但系统仍处于高负载状态，进程保留在磁盘中等待调度。

【知识拓展】

  1. 一图胜千言：
    status_model.jpg
  2. 关于七状态模型的一些额外说明：
    • 进程从阻塞挂起态，可以转换为阻塞态（内存充足但等待的事件仍未完成），也可以转换为就绪挂起态（事件完成但内存不足），还可以直接转换为就绪态（等待的事件完成且内存充足）；
    • 虽然多数情况下，对七状态模型的描述中没有“阻塞挂起态 → 就绪态”的直接转换，但需要知道这种情况是可以发生的：在 《Operating System Concepts》 一书中，Chapter 3.6.2 明确提到 "When an event for which a blocked suspended process has been waiting occurs, the process is moved to the ready-suspended state if memory is still not available, or to the ready state if memory is available."。
  3. 线程的状态：
    • 内核级线程：（类似于进程的五状态模型，但状态转换的复杂度和资源管理开销更低）
      ① 创建态（New）：线程正在创建，分配资源。
      ② 就绪态（Ready）：线程准备好运行，等待 CPU。
      ③ 运行态（Running）：线程占用 CPU 执行指令。
      ④ 阻塞态（Blocked）：线程等待资源，主动让出 CPU。
      ⑤ 终止态（Terminated）：线程执行完毕，资源回收。
    • 用户级线程：（以Java语言为例）
      ① 新建（NEW）：线程对象已创建但未启动。
      ② 可运行（RUNNABLE）：线程已启动，可能在运行或等待 CPU。
      ③ 阻塞（BLOCKED）：线程因锁竞争被阻塞。
      ④ 等待（WAITING）：线程无限期等待信号。
      ⑤ 定时等待（TIMED_WAITING）：线程在指定时间内等待。
      ⑥ 终止（TERMINATED）：线程执行完毕或异常退出。
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