进程控制块与进程状态

复习

系统调用：用户程序怎样安全地请求内核服务
程序如何变成进程：区分静态的程序文件和运行中的进程
进程的创建与结束：父子进程、退出状态和资源回收

TL;DR

内核用进程控制块（PCB） 记录一个进程的全部信息
PCB 里有身份、运行现场、占用资源和当前状态
进程有三种基本状态：运行、就绪、阻塞
状态随事件彼此转换，内核据此决定让谁上 CPU

正文

　　内核同时管着成百上千个进程。它总得有个地方，把每个进程的情况记下来。这个“档案”，就是进程控制块（PCB，Process Control Block）。

一份进程档案

　　PCB 是内核为每个进程维护的数据结构。前面几章零零散散提到的信息，最后都收在这里：

身份：进程编号，父子是谁
运行现场：PC 值、各寄存器的内容、栈的位置
资源：占用了哪些内存、打开了哪些文件
状态：它是正在跑，还是闲着，还是在等
调度信息：优先级等，供内核决定谁先上 CPU

　　可以说，PCB 就是进程在操作系统里的“户口本”。找到 PCB，就等于找到了这个进程的一切。

三种基本状态

　　一个进程，随时处在下列三种基本状态之一：

运行（Running）：正占用 CPU，在跑
就绪（Ready）：一切都准备好了，只差一个 CPU
阻塞（Blocking）：在等某个事件发生，就算给它 CPU 也没用

　　“就绪”和“阻塞”最容易混。区别在于：

就绪，是缺 CPU
阻塞，是缺事件（比如等磁盘读完、等用户按键）

状态怎么变

　　状态不是固定的，它会随事件来回转换：

        ┌──────────── 被调度 ────────────┐
        ▼                                │
    ┌───────┐   时间片用完    ┌───────┐   │
    │ 就绪  │ ───────────────>│ 运行  │───┘
    └───────┘ <───────────────└───────┘
        ▲        事件完成         │ 等待事件
        │                         ▼
        │                   ┌───────┐
        └───────────────────│ 阻塞  │
                            └───────┘

就绪 → 运行：内核选中了它，把 CPU 交给它
运行 → 就绪：时间片用完（不能让一个进程一直霸着 CPU）
运行 → 阻塞：它要等一件事，比如发起了一次磁盘读取
阻塞 → 就绪：它等的事情完成了，重新排队等 CPU

　　顺带一提：阻塞的进程不会“占着 CPU 空等”。它一进入阻塞，内核就把 CPU 让给别的就绪进程，自己去等事件——这正是不让 CPU 浪费的关键。

队列

　　把同状态的进程排到一起，管理起来就方便了：所有就绪的进程排成就绪队列，谁被调度就看这个队列；等待不同事件的进程，分别排在各自的阻塞队列里。

　　于是内核的调度工作，很大程度上就是：在就绪队列里挑一个，运行它；它一旦让出 CPU，再挑下一个。

　　既然多个就绪进程要轮流上 CPU，那“换人”这件事就必须做利索。下一章，我们看内核怎样干净地把 CPU 从一个进程交给另一个——上下文切换。

思考题

　　一个进程发起磁盘读取后进入阻塞，另一个进程还在就绪队列里等着。如果内核不把前者的状态从“运行”改成“阻塞”，会发生什么？为什么“就绪”和“阻塞”必须分开？

小结

知识点

PCB 记录进程的身份、现场、资源与状态
三种基本状态：运行、就绪、阻塞
就绪缺 CPU，阻塞缺事件
状态随调度与事件相互转换
同状态的进程排成队列，便于管理

参考资料

Wikipedia(zh)：进程控制块：PCB
Wikipedia(zh)：进程状态：运行、就绪与阻塞

思考题答案（仅供参考）

　　如果不把它改成阻塞，内核会以为它还能继续跑，于是反复把它调度上 CPU；可它实际在等磁盘，上 CPU 也只会再次发现“还没好”，白白浪费 CPU 时间。把“就绪”和“阻塞”分开，内核才能一眼看出：哪些进程给了 CPU 就能干活，哪些进程给了也是白给。这样才能把 CPU 只分给真正能用它的进程，避免空转。

协议

　　本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。

封面图

设计师 | 南国微雪

Keyboard shortcuts

微雪博客