進程狀態轉換圖

一、進程狀態轉換基礎

進程是操作系統調度的基本單位，而進程狀態則是描述進程執行過程中狀態的基本概念。進程在其生命周期中會處於不同的狀態，包括新建態、就緒態、運行態、阻塞態和終止態。

新建態是指進程被創建後還未被分配資源的狀態，就緒態是指進程已經獲取到了所有必要資源等待執行的狀態，運行態是指進程正在佔用CPU運行的狀態，阻塞態是指進程等待某些條件滿足或資源釋放的狀態，終止態是指進程執行結束且已經被釋放的狀態。

當進程在不同狀態之間切換的時候，需要進行狀態轉換操作。下面我們以Linux作為例子來介紹進程在狀態之間的轉換操作。

/* 進程狀態 */
enum task_state {
    TASK_RUNNING = 0,   /* 運行態 */
    TASK_INTERRUPTIBLE, /* 可中斷的睡眠態 */
    TASK_UNINTERRUPTIBLE,   /* 不可中斷的睡眠態 */
    TASK_STOPPED,   /* 停止態 */
    TASK_TRACED,    /* 被追蹤態 */
    TASK_DEAD,  /* 已終止態 */
};

二、進程狀態轉換圖

進程的狀態轉換有多種可能，這裡我們以一種典型的轉換方式為例來說明。下面是進程狀態轉換圖：

+--------+        +----------+       +---------+       +---------+
| 創建態 +------->+ 就緒態   +------>+ 運行態  +------>| 終止態  |
+--------+        +----------+       +---------+       +---------+
                   ^   |  ^                |
                   |   |  |                |
                   |   V  |                |
             +--------------+         +-----------+
             | 可中斷的睡眠態 |<--------+ 不可中斷的睡眠態 |
             +--------------+         +-----------+

三、進程狀態之間的轉換

下面我們來分別介紹進程狀態之間的轉換方式。

1. 創建態到就緒態

當一個進程被創建時，初始狀態為創建態。當進程被分配到所有必要資源，可以開始執行之前，由創建態轉為就緒態。這個轉換是由系統調度算法決定的，通常是通過進程隊列和調度程序來實現的。

/* 創建一個新進程並將其加入到就緒隊列 */
struct task_struct *init_task(void)
{
    /* ...省略其他代碼... */
    /* 創建進程 */
    p = __alloc_task_struct();
    /* 設置進程狀態為就緒態 */
    p->state = TASK_RUNNING;
    /* 將進程加入到就緒隊列 */
    enqueue_task(p, &rq->array[rq->curr]);
    return p;
}

2. 就緒態到運行態

當CPU被分配到了進程時，該進程進入運行態。如果此時還有其他進程處於就緒態，則它們將繼續等待CPU資源的分配。

/* 進程從就緒態變為運行態 */
static void __sched __schedule(void)
{
    /* ...省略其他代碼... */
    /* 獲取就緒隊列里的下一個進程，並將其狀態設置為運行態 */
    next = pick_next_task(rq);
    next->state = TASK_RUNNING;

    /* 切換到下一個進程 */
    rq->curr = next;
    context_switch(rq, prev, next);
}

3. 運行態到就緒態

當一個進程正在佔用CPU運行時，如果出現IO等等其它需要等待的操作，則該進程從運行態進入阻塞態，然後進入可中斷的睡眠態或者不可中斷的睡眠態，等待IO等操作結束後再轉為就緒態。此時，其他進程有可能獲得CPU使用權。

/* 進程從運行態變為阻塞態 */
void sleep_on(wait_queue_head_t *q)
{
    /* ...省略其他代碼... */
    //將當前進程的狀態設置為可中斷的睡眠態
    current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
    //將當前進程加入到等待隊列中
    add_wait_queue(q, &wait);
    //切換到下一個進程
    schedule();
}

4. 阻塞態到就緒態

當阻塞態的進程等待的系統調用返回並且獲得了系統資源時，它從睡眠態或者阻塞態變成就緒態，表示該進程的資源需求已得到滿足，可以開始運行了。

/* 進程從阻塞態變為就緒態 */
void wake_up(wait_queue_head_t *q)
{
    /* ...省略其他代碼... */
    //將等待隊列中阻塞進程的狀態設置為就緒態
    do_each_thread(g, p) {
        if (p->state == state &&
            (wait == NULL || wait->func(wait, task, mode, key) != 0))
            p->state = TASK_RUNNING;
    } while_each_thread(g, p);
    /* 移除等待隊列中的進程 */
    __remove_wait_queue(q, &wait);
    /* 切換到下一個進程 */
    schedule();
}

5. 運行態到終止態

進程在完成任務後或者出錯時，會從運行態進入終止態。在終止態中，進程進行善後處理和資源釋放。此後，內核將不再管理此進程，以便其它進程使用其資源。

/* 進程從運行態變為終止態 */
asmlinkage void do_exit(long code)
{
    /* ...省略其他代碼... */
    //設置進程狀態為終止態
    current->state = TASK_DEAD;
    //從進程表中刪除該進程
    del_from_tasklist(current);
    /* 切換到下一個進程 */
    schedule();
}

結語

進程的狀態轉換是操作系統中非常關鍵的一個概念。我們通過介紹進程的五種狀態和相應的轉換方式，使讀者加深對進程狀態轉換的理解。其實，在Linux系統中還有很多其它的狀態轉換方式，大家可以自行深入學習。