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之前的有博文对进程和线程的区别进行了详细的介绍，并且引入进程的目的是为了能够使程序并发的执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和控制。

这篇博文，我们就来对进程的状态转换来进行详细的分析下。

注意：本博文中进程均是在传统操作系统中的进程，即 OS是进行资源分配的基本单位，也是OS 进行调度的一个独立单位。

在开始之前，我们对进程和程序来进行一个对比：

1. 程序是静态的，而进程是动态的。
2. 程序可以作为一种软件资源长期存在，而进程是有一定生命周期的。程序是永久的，进程是暂时的。
3. 进程更能真实地描述并发，而程序不能。
4. 同一程序可以对应多个进程。
5. 进程是系统分配资源和调度的独立单位，而程序不是。

因此，从上面我们可以得到进程的一些特征：

1. 动态性（进程由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡）。
2. 并发性（多个进程同存于内存中，可以并发的执行）。
3. 独立性（资源分派和调度的独立单位） 。
4. 异步性（进程的执行以一种不可预知的速度向前推进）。

三种基本状态

三种基本状态：就绪态、执行态、阻塞态。

这三种基本状态每个OS 中都会有的，因些称为基本态，下而是给出三种基本状态的定义：

1. 就绪（Ready）状态

   通过Ready 我们可以看到，处于此状态的进程已经处于准备好要运行了。
   此时进程已经分配好除CPU 外的所有必要资源，只需要获得CPU，便可立即执行。
   处于就绪态的进程都是在就绪队列中，等待着调度程序的调度（分配CPU）。

2. 执行（Running）状态

   处于此状态的进程是已经获得CPU 且正在执行中。
   对于这一状态，在单CPU OS 中，同一时刻只能有一个进程处于此状态，而在多CPU OS，则可以有多个（不超过CPU 的数量）进程同时处于执行状态。

3. 阻塞（Block）状态

   处于此状态的进程是因为在执行的过程中由于发生某种需要等待的事件（I/O 请求，申请缓存失败，等待接收数据等），而暂时无法继续运行。
   在多道批处理系统中，此时需要进程把处理机释放，并选取新的就绪进程执行。
   与就绪队列相对应的，处于阻塞状态的进程都在阻塞队列中，某些OS 中，出于提高效率的目的，根据阻塞的原因，会有多个阻塞队列。

上图是进程的三种基本状态的转换图，进程在运行的过程中会经常的发生状态的转换。

从图中我们可以看到，就绪态和执行态是可以相互转换的，但是执行态到阻塞态是单向的，这是因为就算阻塞的进程“通畅” 了，因为处理机已经分配给别的进程了，因此进程的状态只能切换到就绪态，并且也是单项的，因为等待的事件也只可以在执行中才能发生。

1. 就绪态 ==> 执行态： 进程获得CPU（被调度程序选中）
2. 执行态 ==> 阻塞态： 向OS请求共享资源（互斥、同步）失败，等待某种操作完成，新数据尚未到达（I/O 操作），等待新任务的到达。
3. 执行态 ==> 就绪态： 分配给进程的进间片执行完成（轮转调度算法）、高优先级的进程到达（抢占式调度）。

创建状态和终止状态

我们知道，进程创建时，需要对其分配除CPU处的所有的必要资源，

但是，如果此时OS 因为资源不足无法给进程分配资源，那么进程应该处于什么状态呢？

为了满足上述问题，满足进程状态的完整性以及增强管理的灵活性，

通常会在OS中为进程新增两种常见的状态：创建状态和终止状态。

下面给出两种状态的定义：

1. 创建状态
   进程创建的过程中，所需的资源尚不能得到满足，此时创建工作尚未完成，进程无法被调度执度，进程此时就处于创建状态。
2. 终止状态
   进程正常运行结束或都出现导致进程终止的错误，或是被 os 所终结，或是被父过程终结，则进入终止状态。
   进入终止状太的进程将不能再执行，但是OS 依然保持一个记录，其中保存着状态码和计时器统计数据，等待别的进程收集，一旦资源被收集完成，OS 会立即删除该进程。

包含创建状态和终止状态之后，进程的状态转换如上图所示。 从图中我们可以看到，状态的转换多了创建态到就绪态，执行态到终止态，下面给出两种状态切换的原因：

1. 创建态 ==> 就绪态 ：进程所需的资源得到分配。
2. 执行态 ==> 终上态 ：进程正常运行结束或出现进程终止的错误，或是被 OS 所终结，或是被父进程终结。

下面对进程创建和终止的过程进行一下说明。

首先是进程的创建，进程的创建是一个较为复杂的过程， 首先需要由进程申请一个空白的进程控制块（Process Control Block, PCB）,并向PCB 中填写用于控制和管理进程的信息； 然后为该进程分配运行时必要的资源； 最后把该进程转换就绪态并插入到就绪队列中。

其次是进程的终止，进程的终止分为两个步骤：

首先是等待OS 进行善后处理（停止执行、终止子孙进程、归还资源等）， 然后将其PCB 清零，并将PCB 空间返还给系统。

从上述进程的创建和终止的过程中，我们可以得知，

创建态就是处于进程创建的第一步完成时的状态， 终止态就是进程无法被调度或执行，但是还需要等别的进程来收集信息，也就是终上态同样处于第一步完成的状态，只有当进程归还了PCB后，才算是真正的OS 删除，生命同期才算结束。

挂起、激活操作

在部分OS 中，为了系统和用户观察和分析进程的需要，还引入了一个对进程的重要操作 — 挂机（Suspend），

当对某个进程执行此操作时，该进程将会被 挂起，此时意味着该进程需要释放内存，调至硬盘中（外存）， 也意味着此时该进程处于静止状态，无法接受调度或者执行。 当该进程被执行激活（Active）操作时，才可将该进程从外存中重新导入到内存中。

首先我们分析下进程被挂起的原因：

1. 终端用户的请求： 当终端用户在自已的程序运行期间发现有可疑问题时，希望暂停自已的程序的运行，使之停止下来，惟便用户研究其执行情况或对程序进行修改；
2. 父进程的请求： 有时父进程希望挂起自已的某个子进程，以便考察和修改子进程，或都协调各子进程间的活动。
3. 负荷调节的需求：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，可由系统把一些一重要的进程挂起，以保证系统能正常动行。
4. 操作系统的需要： 操作系统有时希望挂起某些进程，以使检查运行中的资源使用情况或进行记账。

引入挂起之后，系统中的就绪状态和阻塞状态分别为两种状态，这四种状太盛为：活动就绪、静止就绪、活动阻塞。

下面对这四程状态进行说明：

1. 活动就绪（Readya）：等价于就绪态，此时进程可以接受调度，获得处理机后可直接转为执行态；
2. 静止就绪（Readys）：进程就调到外存，无法接受调度；
3. 活动阻塞（Blockeda）：等价于阻塞态，当等待的事件发生后可以由活动阻塞变为活动的就绪状态；
4. 静止阻塞（Blockeds）：进程仍然可以等待事件，当事件发生后，状态由静止阻塞变为静止就绪状态。

引入挂起操作后，OS 中的状态变为7程，其中部分进程状态的变化如下：

1. 活动就绪 ===> 静止就绪：该进程被执行挂起原语 Suspend；
2. 活动阻塞 ===> 静止阻塞：该进程被执行挂起原语 Suspend；
3. 执行态 ===> 静止就绪： 该进程被执行挂起原语 Suspend；
4. 静止就绪 ===> 活动就绪：该进程被执行激活原语 Active；
5. 静止阻塞 ===> 活动阻塞：该进程被 执行激活原语 Active；
6. 静止阻塞 ===> 静止就绪：进程等待的事件发生；
7. 活动阻塞 ===> 活动就绪：进程等待的事件发生；
8. 创建态 ===> 活动就绪：在当前OS 的性能和内存的容量均允许的情况下，完成进程的创建工作
9. 创建态 ===> 静止就绪： 当前OS的当前资源状况和性能不允许，不分配给新建进程所需的资源，此时进程处于静止就绪状态，被调到外存中，不参与调度，此时创建工作尚示完成。

从上面的状态我们可以看出，处于执行的进程一样会被挂起，而且引入了挂起操作后，进程不会长期的处于创建状态，如果能分配到资源，状态将变成活动就绪态，如果不法分配到资源，则进入静止就绪态，当资源充足后，再将进程调入内存并为之分配资源，完成创建工作。

进程控制块PCB

上面讲了这么多的进程的状态的切换，那么OS 到底是根据什么来进行进程的控制和管理呢？

比如进程的状态信息保存在哪、进程对应的程序和数据是如何保存的、进程是如何保存和恢复CPU现场信息（上下文切换）的，还有其他等等操作是如何实现的？

其实这引起操作都依的托于一种数据结构 — 进程控制块PCB。

PCB 是OS 为了系统的描述和管理进程的运行，在内核中为每个进程专门定义的一个数据结构。

PCB 作为进程实体（程序、数据、PCB）的一部分，记录了OS 所需的用于描述进程当前情况以及管理进程运行的全部信息，是OS 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。

因此 PCB 的作用非常重要，我们讲进程的状态切换是必须要讲PCB的。

首先，我们对PCB 中存储的信息进行介绍：

1. 进程标识符

   用于唯一地标识进程。
   一个进程通常包含两种标识符：外部标识符和内部标识符。
   外部标识符 — 一般由创建者（用户）提供，用来方便记忆；
   内部标识符 — 为了方便OS 对进程的使用，通常是Linux 系统中查看到的PID。

2. CPU状态

   CPU 状态信息也称为处理机的上下文，主要由CPU 的各种寄存器（通用寄存器、指令计数器、程序状态字PSW、用户栈指针）中的内容组成的。
   进程在执行的过程中，正在处理的许多信息都被 放在寄存器中，如果需要发生切换，这些信息就需要保存该进程的PCB 中，以便再次执行可以快速的恢复CPU 的状态。

3. 进程调度信息

   在OS 进行调度（从就绪队列中选取进程分配CPU ）时，必须要知道进程的状态和相关的调度信息，
   主要包括：进程状态、优先级、进程调度所需的其他信息（等待时间，已经执行的时间等）、事件（等待发生的时间，即阻塞的原因）；

4. 进程的控制信息

   只用于进程控制所必需的信息，主要包括：程序和数据的地址（所在内存或外存的首地址）、进程同步和通信机制、资源清单（进程运行期间所需的全部资源，CPU除外，还有一第已经分配给该进程的资源清单，主要用一起避免死锁）、链接指针（指向本PCB 所在队更中的下一个进程的PCB的首地址）。

下面我们根据PCB 中存储的信息，来对PCB 作用做一个具体的分析：

1. 作为独立运行基本单位的标志

   当一个程序（包含数据）配置了PCB 后，就表示他成为了一个进程，一个能在多道程序环境下独立运行并合法的一个基本单位，也就具有了取得OS服务的权利。
   这也是为什么当系统创建一个进程时，需要为之创建一个PCB，并与进程一对一的绑定，系统是根据PCB来感知进程的，PCB 被 撤销归还给OS时，进程也就随之消亡了。

2. 能实现间断运行的方式

   这也是进程的一个基本特性 — 异步性，
   因为PCB 中保存着进程在CPU 上执行时的上下文信息，因此在进程再次调度执行时，可以快速的恢复其CPU的现场信息。

3. 提供进程管理所需要的信息

   在进程的整个生命周期中，OS都是根据PCB 实施对进程的控制和管理。

4. 提供进程调度所需要的信息

   OS 根据PCB 中存储的进程状态信息来将继承插入到对应的队列中，并根据PCB 中保存的优先级，等待事件等来进行调度。

5. 实现与其他进程的同步与通信

   PCB 中具有用于实现进程通信的区域或通信队列指针等。

通过上面的描述，我们了看到了PCB 的重要性，虽然一个进程中的PCB 保存了如此多的信息，但是一个PCB 的大小大约是1KB 在右，体量小也可以保证内核中可以存放一定数量的PCB。

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