广东工业大学操作系统实验：进程状态转换的精讲与实践


参考资源链接：[广东工业大学 操作系统四个实验（报告+代码）](https://wenku.csdn.net/doc/6412b6b0be7fbd1778d47a07?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 进程与进程状态转换概述

## 1.1 进程的基本概念

在操作系统中，进程是进行资源分配和调度的一个独立单位，它是程序在计算机上的一次执行活动。进程作为资源分配的基本单位，拥有自己独立的地址空间，不同的进程地址空间是隔离的。

## 1.2 进程状态的分类

进程在其生命周期中会经历多个状态，一般分为三态模型和五态模型。三态模型包括运行态、就绪态和阻塞态；而五态模型在此基础上增加了创建态和终止态。状态转换是由进程的执行情况和外部事件共同决定的。

## 1.3 进程状态转换的重要性

了解进程状态转换对于掌握操作系统的工作原理至关重要。它不仅关系到单个进程的运行管理，还对多任务操作系统的设计和性能优化有着深远的影响。

graph LR
    A(创建态) --> B(就绪态)
    B --> C(运行态)
    C --> D(阻塞态)
    D --> B
    C --> E(终止态)

通过上述简化的状态转换图，我们可以直观地看到进程状态间转换的逻辑关系。下一章节我们将深入探讨进程状态转换的理论基础。

# 2. 进程状态转换的理论基础

进程是操作系统中的核心概念之一，而进程状态转换则是理解操作系统工作原理的重要部分。在本章节中，我们将深入探讨进程状态模型的分类与特点，以及进程状态转换的条件和机制，为后续章节中对进程状态转换的实践案例分析和深入实验操作打下坚实的理论基础。

## 2.1 进程状态模型的分类与特点

### 2.1.1 传统进程状态模型

在操作系统的发展历史中，传统进程状态模型为进程状态转换提供了基本的理论框架。传统模型通常将进程状态分为三个基本状态：就绪态（Ready）、运行态（Running）和阻塞态（Blocked）。

- **就绪态（Ready）**：进程已获得除CPU外的所有必要资源，等待操作系统分配CPU时间。
- **运行态（Running）**：进程正在CPU上执行。
- **阻塞态（Blocked）**：进程等待某个事件发生，无法执行，即使CPU可用。

这种模型以状态为节点，状态转换为边，形成了一个简单的状态转换图。例如，一个进程从就绪态转变为运行态，是通过操作系统调度器的调度实现的；而从运行态转为阻塞态，则是因为进程执行了如I/O操作等导致的阻塞事件。

### 2.1.2 实际操作系统中的进程状态

实际的操作系统中，进程状态模型可能更为复杂。例如，Windows、Linux等现代操作系统通常有更多的状态，用以更准确地描述进程在不同条件下的状态，以及更精细的控制进程的运行。

在Linux操作系统中，进程状态包括但不限于以下几种：

- **R（Running or Runnable）**：进程正在运行或者在运行队列中等待。
- **S（Interruptible Sleep）**：进程处于休眠状态，等待一个事件或者信号。
- **D（Uninterruptible Sleep）**：不可中断的睡眠状态，通常用于磁盘I/O。
- **Z（Zombie）**：僵尸进程，进程已经结束，但是其父进程尚未调用wait()回收资源。

这些状态在Linux内核中通过`task_struct`结构体中的`state`字段进行维护。

## 2.2 进程状态转换的条件和机制

### 2.2.1 状态转换的内部条件

进程状态转换的内部条件主要取决于进程自身的行为和状态。一个进程在执行时，可能会遇到需要等待的I/O操作或其他系统资源，此时进程会主动进入阻塞态。

例如，当一个进程执行`read()`系统调用读取数据时，如果数据尚未准备好，进程就会自动转换到阻塞态，等待I/O操作完成。

fd = open("example.txt", O_RDONLY);
read(fd, buffer, sizeof(buffer));
// 上述代码在数据未准备好的情况下，会导致进程阻塞

### 2.2.2 状态转换的外部事件

进程状态转换的外部事件包括了由操作系统调度器做出的调度决策，或是由其他进程通过信号（Signal）引发的事件。

当一个进程被操作系统调度器从就绪队列中选择出来，获得CPU资源，其状态就会从就绪态转换为运行态。相反，当进程的时间片耗尽或被更高优先级的进程抢占时，它会被迫从运行态转换回就绪态。

graph LR
    A[就绪态] -->|被调度| B[运行态]
    B -->|时间片耗尽| A
    B -->|被抢占| A

### 2.2.3 操作系统对状态转换的控制

操作系统通过调度算法来控制进程状态的转换。不同的调度算法（如轮转调度、优先级调度等）会根据进程的不同属性（如优先级、等待时间等）决定进程的状态转换。