【操作系统】考研408操作系统核心考点：进程控制机制与原语实现深度解析​

(进程控制)

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！！

在上一篇内容中，我们共同探讨了进程的状态转换与组织方式。进程在其生命周期中会经历创建态、就绪态、运行态、阻塞态和终止态这五种状态的动态变迁，形成一个完整的生命周期循环。

理解进程状态转换的关键在于掌握三种基本状态间的转换规律：

• 从就绪态到运行态通过进程调度实现
• 从运行态到就绪态常因时间片耗尽
• 从运行态到阻塞态多因资源请求或事件等待
• 从阻塞态到就绪态则发生在等待事件完成时

这些转换构成了进程并发执行的基础。

操作系统通过进程控制块（PCB） 来记录每个进程的状态信息，并采用链接方式（如就绪队列、阻塞队列）或索引方式来组织这些PCB，确保系统能够高效地进行进程调度和资源管理。

理解了进程状态的“是什么”和“为什么”后，我们很自然会问：

操作系统是如何精准控制这些状态转换的？ 进程是如何被创建、终止和调度的？ 这些状态转换背后需要怎样的机制来保障其可靠性和一致性？

现在，就让我们带着这些问题，一起深入探讨进程控制的具体实现机制，揭开操作系统如何有效管理进程生命周期的神秘面纱。

一、定义

进程控制 的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

简单来说，进程控制就是用来实现进程的状态转换。

graph LR
a[创建态]--->b[就绪态]--->c[运行态]--->d[终止态]
c--->e[阻塞态]--->b
c--->b

一个进程从创建态转换到就绪态的过程就是创建一个新进程的过程；

一个进程从运行态转换到终止态的过程就是撤销已有进程的过程；

一个进程在运行过程中的状态转换就是就绪态、运行态以及阻塞态这三种基本状态之间的转换；

二、进程控制的实现

而要实现这一进程控制的方式，就是通过原语。在之前的内容中我们有介绍过原语：

原语是操作系统底层具有以下特点的公用小程序：

• 处于操作系统的底层，是最接近硬件的部分
• 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成
• 这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁

所谓的原子性指的是：一个操作或一系列操作被视为一个不可分割的整体。它们要么​​全部成功执行​​，要么​​完全不执行​​，不会出现“执行了一半”的中间状态。

2.1 使用原语的原因

为什么需要通过原语来实现进程控制呢？

这里我们以链接方式的进程组织形式进行说明：

graph LR
a[执行指针]--->PCB1
b[就绪指针]--->PCB2--->PCB3--->PCB4
c[阻塞指针]--->PCB5--->PCB6--->PCB7

在操作系统中，进程会根据自己此时所处的状态而进入相应的队列中，而判断进程相应状态的方式，我们可以通过变量 state 来实现，如：

• state == 1 表示该进程处于运行态
• state == 2 表示该进程处于就绪态
• state == 3 表示该进程处于阻塞态

那么一个进程要完成状态的转换就需要执行两步操作：

• 将该进程的状态变量 state 更改为相应的状态值
• 将该进程排入相应的队列中

那么我们设想一下如果进程的状态转换不具备原子性，那么就会出现下面这种情况：

当 PCB1 的 CPU 时间片使用完后，其状态需要从运行态转换到就绪态。在整个转换的过程中，操作系统会执行以下指令：

• 将状态变量 state = 1 更改为 state == 2
• 将 PCB1 排入就绪队列

graph LR
a[执行指针]
b[就绪指针]--->PCB2[PCB2<br>state = 1]--->PCB3[PCB3<br>state = 2]--->PCB4[PCB4<br>state = 2]--->PCB1[PCB1<br>state = 2]
c[阻塞指针]--->PCB5[PCB5<br>state = 3]--->PCB6[PCB6<br>state = 3]--->PCB7[PCB7<br>state = 3]
classDef red fill: #ff9999, color: #000, stroke: #ff0000, stroke-width: 2px
class PCB1 red

但是，在执行的过程中，在完成了状态变量的修改后，操作系统接收到了来自外部的中断指令，此时就无法执行第二步操作。

graph LR
a[执行指针]--->PCB1[PCB1<br>state = 2]
b[就绪指针]--->PCB2[PCB2<br>state = 2]--->PCB3[PCB3<br>state = 2]--->PCB4[PCB4<br>state = 2]
c[阻塞指针]--->PCB5[PCB5<br>state = 3]--->PCB6[PCB6<br>state = 3]--->PCB7[PCB7<br>state = 3]
classDef red fill: #ff9999, color: #000, stroke: #ff0000, stroke-width: 2px
class PCB1 red

这就导致了上图所示的情况—— PCB1 始终保持着占用 CPU 无法进行解除。

为了避免这种情况的发生，我们就需要确保状态转换操作一气呵成，因此必须使用原语来实现状态转换操作。

那么现在问题来了，原语是如何实现的将操作一气呵成呢？

2.2 关中断与开中断

在操作系统中存在着两条特权指令——关中断与开中断。

这两条指令的作用分别为：

• 关中断——使 CPU ​​暂时不响应​​（或忽略）可屏蔽的中断请求
• 开中断——使 CPU ​​恢复响应​​可屏蔽中断请求

这里我们通过一个简单的例子进行说明：

经过前面的学习，我们知道，所有的程序都是由一条条的指令构成，而这些指令会在运行时，被存储到内存块中，逐个执行；并且每执行完一条指令，都需要检测一下中断信号；

graph LR
	subgraph 内存块
		a[...]
		b[指令1]
		close[关中断]
		c[指令2]
		d[指令3]
		open[开中断]
		e[指令4]
		f[...]
	end
	g[中断信号]--->c

上图所示的就是在操作系统的内核中执行的一个程序。当这个程序正常执行时，其执行的顺序为：

• 指令1--->关中断--->指令2--->指令3--->开中断--->指令4

从图中我们可以看到，在执行完关中断后，执行指令2之前存在一条中断信号，如果在正常的执行逻辑下，CPU会执行以下操作：

• 检测到中断信号
• 处理中断信号
• 继续回到发生中断的点，继续向后执行

但是，在检测到该中断信号之前，CPU执行了关中断指令，这时 CPU 会直接忽略该信号，而继续往下执行，并且在执行开中断之前，会屏蔽所有的可屏蔽中断请求；

当 CPU 执行了开中断之后，会重新开始进行中断信号的检测，继续回到 每执行一条指令，就检测一次中断信号 的状态；

正是因为这两条特权指令，这就确保了这两条指令中间所有指令的原子性，就比如上图中的指令2和指令3；

下面我们需要思考一个问题——为什么开中断与关中断属于特权指令？

这里咱们先卖个关子，具体的内容我们留到下一篇中再详细的进行探讨。

结语

今天的内容到这里就全部结束了。通过今天的学习，我们深入理解了​​进程控制​​的核心机制。

• 进程控制作为操作系统对进程实施有效管理的关键功能，通过创建新进程、撤销已有进程以及实现进程状态转换等功能，确保了系统能够高效地进行多任务并发处理。

我们重点探讨了进程控制的核心实现方式——​​原语​​。

• 原语作为操作系统底层具有原子性的公用小程序，通过​​关中断​​和​​开中断​​这两条特权指令，确保了进程状态转换操作的完整性和一致性。

这种"一气呵成"的执行特性，有效避免了因中断导致的进程状态不一致问题，为系统的稳定运行提供了坚实保障。

在接下来的内容中，我们将继续深入探讨具体的进程控制原语，了解操作系统是如何通过不同的原语来实现精确的进程管理。

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