考研笔记

进程的状态与转换

这一节的考法非常固定：给出一个状态转换，判断其是否可能发生。所以真正要掌握的不是”有五个状态”这种清单，而是每条边为什么存在、以及那两条不存在的边为什么不存在。

机制

三个基本状态是被”缺什么”分出来的

一个进程在任意时刻，无非三种处境：正在用 CPU、能用但轮不到、想用也没用。这就是三个基本状态：

运行态——正在 CPU 上执行。

就绪态——已经获得了除 CPU 之外的一切所需资源，万事俱备只欠 CPU。

阻塞态——在等某个事件（I/O 完成、拿到某个资源、等一个信号），此时即使把 CPU 白送给它也没用，因为它无事可做。

请注意划分它们的那把尺子只有一把：缺的是不是 CPU。

  • 缺 CPU，别的都不缺 → 就绪
  • 缺的是别的东西 → 阻塞
  • 什么都不缺，正在跑 → 运行

这把尺子能解决绝大多数判断题。比如”进程因为时间片用完被换下来”，它缺的是 CPU，所以进就绪队列而不是阻塞队列。

再加上生命周期两端的创建态（正在申请 PCB 和资源，还没准备好）和结束态（正在善后，PCB 还没回收），就是五状态模型。

四条合法的转换边

flowchart LR
    C(创建态):::edge --> |"初始化完成"| R
    R(就绪态):::core --> |"被调度<br/>（唯一入口）"| N(运行态):::core
    N --> |"时间片到<br/>被抢占"| R
    N --> |"主动请求<br/>得不到满足"| B(阻塞态):::core
    B --> |"事件完成<br/>（别人唤醒）"| R
    N --> |"正常 / 异常结束"| E(结束态):::edge
    B -.-> |"✗ 不存在"| N
    R -.-> |"✗ 不存在"| B

    classDef core fill:#dbeafe,stroke:#2563eb,stroke-width:2px,color:#1e3a5f
    classDef edge fill:#f1f5f9,stroke:#94a3b8,color:#334155
    linkStyle 6,7 stroke:#dc2626,stroke-width:2px,color:#dc2626

四条边分别是：

  1. 就绪 → 运行：被调度程序选中。这是进入运行态的唯一途径。
  2. 运行 → 就绪：时间片用完，或被更高优先级的进程抢占。进程本身没出问题，只是暂时让出 CPU。
  3. 运行 → 阻塞：进程主动执行阻塞原语。比如它调用 read() 要读磁盘，数据还没到位，它自己主动把自己挂到阻塞队列上。
  4. 阻塞 → 就绪：等待的事件发生了，由别的执行流（中断处理程序、释放资源的那个进程）执行唤醒原语把它放回就绪队列。

主动与被动：方向性千万别记反

第 3 条和第 4 条有一个非常重要的不对称，这是理解后面所有陷阱题的钥匙：

运行→阻塞是进程自己主动做的；阻塞→就绪是别人被动帮它做的。

为什么必须是这样？因为一个进程只有在正在运行的时候才能执行指令，才能”主动”做任何事。而它一旦阻塞，就不再占有 CPU，它连一条指令都执行不了，当然不可能自己把自己唤醒。必须有外力。

这个不对称直接推出两条不存在的边。

两条不存在的边

阻塞 → 运行：不存在。

阻塞的进程被唤醒后，只能先回到就绪队列排队，等调度程序再次选中它才能上 CPU。它不能插队直达运行态。

道理很直白：唤醒它的那个执行流（比如中断处理程序）无权决定 CPU 接下来给谁——那是调度程序的职责。而且此刻可能有优先级更高的进程正在就绪队列里等着，凭什么让刚醒的这个先跑？

就绪 → 阻塞：不存在。

就绪态的进程没有在执行，它没有机会去请求任何资源，也就无从”得不到满足”而阻塞。要阻塞，必须先被调度上 CPU，在运行过程中发出请求，然后才可能因请求不满足而转入阻塞。

疑问点：就绪进程上了 CPU 却仍缺资源，会怎样

进程由就绪态转入运行态后，若仍缺少所需资源，是否会被重新挂入阻塞队列？ 操作系统既然始终维护各类资源的可用数量，这种情形是否还会出现？

这个问题触及”为什么就绪→阻塞不存在”的实质，需分两层回答。

第一层：就绪态的定义已经排除了这种情况。 就绪的含义是”除 CPU 外一切资源都已到手”。如果它还缺别的资源，那它按定义就不该在就绪队列里，而应该在阻塞队列里。所以”就绪上了 CPU 却发现没资源”这个场景，在已经持有的资源上不会发生。

第二层：但它可以请求新资源。 进程上了 CPU 之后继续往下执行，完全可能发出一个新的请求（比如现在要打印了）。如果这个新资源拿不到，它就阻塞——但注意此时它的路径是 运行 → 阻塞，而不是”就绪 → 阻塞”。它是先跑起来了，再阻塞的。

至于 OS 是否始终维护资源数：是的，OS 通过信号量、资源分配表等结构记录每类资源的可用数量。但这不能消除阻塞，只是让”能不能拿到”这个判断有据可依。资源就那么多，拿不到就是拿不到。

挂起态：一个正交的维度

挂起态常被误当成”第六个状态”塞进上面那张图，这会让人很乱。正确的理解是：挂起是另一个维度。

  • 原来的三态问的是：缺的是什么（缺 CPU / 缺事件 / 什么都不缺）
  • 挂起问的是：是否驻留内存（在内存为活动；被换出到外存为静止）

两个维度正交，于是组合出四种：活动就绪、静止就绪、活动阻塞、静止阻塞。

引入挂起是为了在内存紧张时把一些进程整个换到外存去，腾出内存。这就和第 3 章的对换技术接上了。被挂起的进程即使等待的事件完成了，也只能变成”静止就绪”，必须先被换回内存才有资格竞争 CPU。

边界

”任何时刻都只有一个进程处于运行态”——这句话对吗

疑问点："只有一个"与"有且仅有一个"哪个表述正确

命题：“在单处理机系统中，任何时刻都只有一个进程处于运行态。” 参考答案称该命题错误，理由是死锁时没有进程运行。 那么是否应将其改述为”有且仅有一个”？“只有一个”在中文里似乎已可涵盖 0 个或 1 个。

这道题的措辞确实值得较真，但上述修正方向是反的，需要彻底钉死。

准确的表述是：单处理机下运行态进程数至多为 1，即 0 个或 1 个。

  • 正常情况下是 1 个。
  • 但当所有进程都阻塞（比如全在等 I/O），或者发生死锁时，就绪队列为空，运行态进程数是 0。这时 CPU 跑的是闲逛进程，而闲逛进程通常不被算作用户进程。

所以：

  • “任何时刻至多有一个” ✅ 正确
  • “任何时刻有且仅有一个” ❌ 错误（漏了 0 的情况）

因此把命题改成”有且仅有一个”，反而是把对的改成错的。“只有一个”在中文里确实容易读成”恰好一个”，但在考试语境中它对应的是”至多一个”这一正确命题。处理此类措辞题的通用做法是先追问：0 个的情形是否存在？ 在单处理机且全部阻塞或死锁的场景下，答案是存在。

就绪队列里最多能有几个

疑问点：调度的瞬间，就绪队列里到底有几个

  1. 在单处理机系统中，若同时存在 10 个进程，则处于就绪队列中的进程最多有()个？

疑问在于：既然进程是先被放入就绪队列、再被取出投入运行，那么在取出之前的那一瞬间，队列中不是应当有 10 个进程吗？

答案是 9。

这个追问抓住了一个真实的时序细节，但结论仍是 9。原因在于题目问的是”进程状态”，而不是”某一瞬间队列数据结构中的元素个数”。

一个进程一旦被调度程序选中，它的状态就已经变成运行态了。状态的改变是通过修改 PCB 里的状态字段完成的，这个修改和”把它从就绪队列摘下来”是同一个原语里的动作，对外不可分割。所以不存在一个合法的观测时刻，让某个进程同时既是运行态又留在就绪队列里。

换一个角度更清楚：10 个进程中必有 1 个在运行（否则 CPU 空转，题目默认系统正常工作），其余 9 个至多全部就绪。故就绪队列最多 9 个。

如果题目改成”最多有几个进程处于阻塞态”，答案就是 10——因为可以全部阻塞，此时无人运行，这正好又印证了上一条”运行态可以是 0 个”。

释放一台打印机，会改变谁的状态

疑问点：释放一台打印机，唤醒一个还是全部

  1. 一个进程释放了一台打印机，它可能改变()的状态。 A.自身进程　B.输入/输出进程　C.另一个等待打印机的进程　D.所有等待打印机的进程

疑问在于：为何不是 D——等待打印机的进程不应全部由阻塞态转为就绪态吗？

答案是 C，不是 D。

关键在于释放的是”一台”打印机。打印机是互斥共享的临界资源，一台只能给一个进程用。所以这一台被释放出来，只够唤醒一个等待者。

唤醒原语的语义是”从该资源的等待队列队首取出一个进程，把它变成就绪态”，剩下的进程继续阻塞着等下一次释放。

关联辨析： notify 与 notifyAll

Java 中 notify() 唤醒一个等待线程，notifyAll() 唤醒全部。notifyAll 之所以在工程上常被推荐，恰恰是因为它不精确——它唤醒所有等待者重新竞争，依靠 while 循环重新检查条件来兜底，代价是惊群效应。

而教材中”释放一台打印机”是资源语义：可用资源只有一份，唤醒多个没有意义，被唤醒者也拿不到资源。因此它对应 notify 而非 notifyAll。

判据：本次释放出的资源够几个进程使用，就唤醒几个。

对照速查

转换是否存在触发者主动/被动
就绪 → 运行✅调度程序—
运行 → 就绪✅时间片到 / 被抢占被动
运行 → 阻塞✅进程自己调用阻塞原语主动
阻塞 → 就绪✅中断处理程序 / 其他进程唤醒被动
阻塞 → 运行❌—必须先回就绪排队
就绪 → 阻塞❌—没上 CPU 就无从请求资源
问法单处理机下的答案
运行态进程最多几个1
运行态进程最少几个0（全阻塞或死锁）
n 个进程时就绪队列最多几个n − 1
n 个进程时阻塞态最多几个n

考点

  • 判断某条状态转换是否可能（阻塞→运行、就绪→阻塞是标准错误选项）
  • “至多一个”与”有且仅有一个”的措辞辨析
  • n 个进程时各状态的最多/最少个数
  • 释放一份资源唤醒一个而非全部
  • 挂起态与阻塞态是两个正交维度

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