目錄
1.情景引入
2.操作系統學科對進程狀態的分類
運行狀態
基于時間片的輪轉調度算法
阻塞狀態
等待IO設備的例子
等待其他進程中需要獲取的數據
進程喚醒
掛起狀態(全稱為阻塞掛起狀態)
簡單談談虛擬內存管理
就緒狀態
筆面試題
3.Linux對進程狀態的分類
R和S狀態?
前臺運行
結論
D狀態
實驗:模擬高IO訪問的情況
結論
T和t狀態
T狀態
t狀態
結論
X狀態
4.交換分區的簡單了解
兩個命令查看交換分區
1.情景引入
C語言代碼中的scanf函數會等待用戶的輸入,那么此時的進程處于閑置的狀態
2.操作系統學科對進程狀態的分類
例如《 計算機操作系統?慕課版?》第65頁:
又如?《 操作系統導論 中譯版 》第22頁:
又如《 現代操作系統原理與實現》第77頁
會發現不同的操作系統書籍對進程的狀態的描述都不太一樣,但大致分4類:
運行狀態、阻塞狀態、掛起狀態和就緒狀態
運行狀態
運行狀態:?處于運行隊列中的進程所處的狀態,即進程已經準備好了,可以隨時被調度
現認為計算機中只有一個CPU,進程需要占用CPU資源,操而作系統中有很多進程,那么這些進程相互之間一定存在競爭,可以通過調度器保證CPU資源均衡使用,而老師,調度器的其中一個任務是將進程鏈接到運行隊列中,CPU要運行進程時直接在運行隊列中隊頭進程
例如底層為雙向鏈表結構的運行隊列:
struct running_queue
{struct running_queue* head;struct running_queue* tail;
}
(注意:是進程的PCB在運行隊列中排隊)
基于時間片的輪轉調度算法
思考一個問題:一個進程只要把自己放到CPU上開始運行了,是不是一直要執行完畢才能把自己放下來?
答:如果是死循環呢?如果按上面這樣做,死循環進程會一直占用著CPU的資源,而其他進程得不到執行,會導致操作系統崩潰
那么需要保證進程公平被調度,引入基于時間片的輪轉算法(調度算法中的一種)
每個進程都有一個叫做時間片的東西,是分時操作系統分配給每個正在運行的進程微觀上的一段CPU時間,通常很短
當一個進程的時間片到了,CPU會暫停執行該進程,轉而執行下一個進程,這叫進程切換.暫停執行的進程如果沒有執行完,會繼續排隊
進程切換:?大量的把進程從CPU上放上去,再拿下來的動作?
阻塞狀態
阻塞狀態:進程無法繼續執行,處于正在等待某個資源就緒的狀態
等待的事件可能為:
1. 等待特定設備,例如IO設備
2. 等待操作系統某些服務,例如內核返回數據
3. 等待其他進程中需要獲取的數據
4. 等待子進程退出
等待IO設備的例子
假設進程A要讀取硬件數據,例如鍵盤
先想想操作系統是什么管理硬件的?
答:先描述再組織.描述硬件可以用結構體對象,而組織硬件就是將硬件對應的結構體連接起來
當沒有從鍵盤鍵入數據時,進程A在等待設備,不能放到運行隊列中,要放到等待隊列(每個硬件的結構體中有等待隊列)中
由于處于阻塞狀態的進程的PCB在等待隊列中,不在運行隊列中,則進程不占用CPU資源,因此在用戶看來,進程"卡"住了
等待其他進程中需要獲取的數據
之前在OS8.【Linux】基本權限(上)文章提到過,fifo可用于終端之間的通信,現在演示阻塞狀態
先創建fifo文件:
mkfifo myfifo再用XShell復制一份選項卡:
寫入字符串時,如果另一個終端沒有接收會導致進程阻塞:
如果另一個終端接收了:
原理:
命名管道是一端寫入另一端讀取的通信機制,在寫入命名管道的時如果沒有任何進程在讀取,它就會阻塞,直到有一個讀取方連接上來
進程喚醒
定義: 從阻塞狀態到運行狀態
掛起狀態(全稱為阻塞掛起狀態)
1.當操作系統的內存資源嚴重不足時,為了保證操作系統自己運行正常,需要節省內存資源
2.如果某個進程在等待,它無事可做,那么操作系統就保留該進程的PCB,但代碼和數據放到外設(磁盤)中,這叫調離內存,也稱為換出
了解: 如何確定進程在內存中還是在外設中,可以看段描述符
(摘自《x86匯編語言:從實模式到保護模式 第二版》)
簡單談談虛擬內存管理
當程序超出了物理內存的大小時,或者操作系統無法分配這么大的物理內存空間時,操作系統要使用虛擬內存管理
下面摘自《x86匯編語言:從實模式到保護模式 第二版》
3.掛起狀態:處于調離內存狀態的進程
4.當條件允許時,操作系統會將該進程調回內存,也稱為換入.如果這個進程所有資源已經就緒了,那么只剩調度了,就會按操作系統設計的調度算法來調度進程,可以認為該進程處于運行狀態
5.掛起狀態全稱為阻塞掛起狀態: 只要是等待資源的進程都可以說阻塞
就緒狀態
就緒狀態:?處于已準備好執行的狀態的進程?即滿足調度的條件了,但是CPU沒調度他(預備執行)
*注:就緒狀態和運行狀態不用區分那么仔細,因為因為CPU調度是很快的,一般只要進程在運行隊列里面,就可以認為是運行狀態
筆面試題
得物二面:阻塞態和就緒態會占用CPU嗎?
答: 1.阻塞態從大的角度說是不影響的,因為阻塞是阻塞在IO或者其他上了,自然不被CPU調度,不占用CPU?2.就緒態從大的角度說是等待被調度,而等待被調度自然還沒有占用CPU
科大訊飛筆試:進程的狀態? 什么情況觸發就緒,什么情況觸發阻塞?
答:見上方總結
快手一面;就緒態和運行態的區別?
答:見上方總結
3.Linux對進程狀態的分類
看看Linux內核源代碼對進程狀態的定義:
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 */
};以這個測試代碼為例說明R和S狀態:
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{while(1){printf("The process is runnning...\n");}return 0;
}R和S狀態?
運行上方代碼,再開一個終端捕獲該進程的運行狀態:
?發現多次捕獲發現a.out進程都是"S+"狀態.不是R狀態
答:這是一個概率問題,R狀態相比S狀態存在的時間極短,此進程絕大部分時間在等待IO設備(這里是顯示器),即處于睡眠狀態S (sleeping)?
又比如bash命令行解釋器,其大部分時間在等待用戶的輸入,處于S狀態
修改以上代碼:
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{while(1);return 0;
}捕獲結果:
執行while(1);是不需要等待顯示器資源的,因此進程處于R狀態,一直在執行
前臺運行
注:R+和S+的+指的是前臺運行,即通過終端展示前臺進程的信息
進一步解釋:進程運行是在內存中通過操作系統的調度算法+ CPU來完成的.進程在運行時,開發者一定是想知道進程的一些調試信息的,所以有的進程會看調用printf、scanf等函數,而這些函數都是與外設來交互的,那么使用printf時,就是向顯示器文件輸出的,即通過終端呈現出來,對于scanf,輸入時,用戶也需要要知道自己輸入了什么,需要在顯示器文件中顯示的,也是通過終端來完成的.因此終端主要是展示前臺進程的信息的
如果是后臺進程,它們的debug信息不可以向終端輸出,只能向文件輸出,也就是日志
1.在bash中執行命令時默認是前臺運行
2.和前臺運行對應的是后臺運行,在命令后加&可以讓進程在后臺運行
例如運行剛剛的程序:
終端返回了進程的PID : 11628
可以用kill來殺死進程,Ctrl+C是沒有用的
結論
R (running)狀態相當于操作系統的運行狀態,而S (sleeping)狀態相當于操作系統的阻塞狀態
D狀態
D狀態:處于等待某些不可中斷的資源狀態的進程
例如進程正在向磁盤中寫入數據時,進程需要等待寫入磁盤的結果
進一步解釋:進程A正在向磁盤中寫入數據時,如果操作系統的內存資源嚴重不足,如果操作系統殺死正在等待磁盤寫入結果的進程A,那么設想一下: 如果磁盤寫入失敗,那么磁盤無法報告給進程A,有丟失數據的風險,這會出問題
解決方法:讓進程A在等待磁盤寫入完畢期間,該進程不能被操作系統殺掉,則進程A處于D狀態
對比S狀態和D狀態,S狀態是淺度睡眠,而D狀態是深度睡眠,而且深度睡眠和淺度睡眠都是等待某資源就緒,因此都屬于阻塞狀態
淺度睡眠(S狀態又稱為Interruptible Sleep n.可中斷睡眠)可以被喚醒,而深度睡眠是不能被喚醒的,稱為Uninterruptible Sleep n.不可中斷睡眠,操作系統(注意主體!!)是無法使用kill命令殺死處于D狀態的進程,而且該進程不會響應操作系統的任何請求,除非該進程自己醒來
以下摘自redhat processstates
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/
實驗:模擬高IO訪問的情況
模擬處于D狀態的進程,例如生成一個較大的文件:
#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緩沖區
int main()
{// 分配緩沖區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;// 打開文件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--){//先填滿緩沖區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;
}運行結果:
結論
1.D狀態本身是操作系統正常處理IO的表現,一般處于D狀態的進程持續時間較短
2.但如果大量進程持續處于D狀態,會占用大量資源,操作系統會負載,容易產生故障
拓展閱讀可以看看閃客大佬這篇文章:閃客 什么叫進程被 D 了
T和t狀態
T和t狀態的區別暫時不講,當然認為都是暫停狀態
T狀態
例如執行以下代碼
#include <stdio.h>
int main()
{while(1);return 0;
}
使用kill -l命令查看所有能發送的信號
向進程發送19號信號SIGSTOP:
kill -19 92159再次使用ps命令查看:進程被暫停
向進程發送18號信號可繼續執行:
t狀態
int main()
{return 0;
}使用gdb(有關gdb的使用參見OS15.【Linux】gdb調試器的簡單使用文章)在return 0處下斷點,
之后使用ps命令查看:發現進程a.out處于t狀態,因為gdb控制了a.out進程
結論
處于T或t狀態的進程可能被其他進程控制
X狀態
X狀態(dead):進程處于終止狀態
注意:X狀態只是一個返回狀態,任務列表里是看不到這個狀態的
4.交換分區的簡單了解
在linux中,將進程換出到磁盤,實際上換出到交換分區(swap分區)
可以在Linux?mint桌面版的系統監視器中看到:
兩個命令查看交換分區
在Linux mint桌面版下演示:
swapon --show
free -h
