进程调度

1. 进程调度

一个操作系统中运行的进程数量远大于CPU核心的数量，为了并发（Concurrency）执行多个进程，操作系统需要将CPU资源轮流分配给进程使用。

CPU调度进程的模型可简化为下图。

操作系统会为就绪的进程维护一个任务队列，队列中的进程将轮流使用CPU资源，每个进程每次只能在CPU上运行一小段时间。为了公平地分配处理器时间，并确保每个任务都有机会执行，操作系统使用调度算法将处理器时间划分为固定长度的时间片。

操作系统的资源分配

通过使用时间片，操作系统可以实现多任务并发执行。每个任务在自己的时间片内运行，当时间片用完时，系统会重新调度其他任务继续执行。这种轮转的调度方式确保了任务的公平性，并避免了某个任务长时间独占处理器资源，导致其他任务无法得到执行的情况。

由于进程是轮流被调度的，所以操作系统必须知道从哪里加载任务，以及从哪里开始运行。当进程在CPU上运行时，这些信息保存在CPU的一组寄存器中，比如其中的程序计数器（Program Counter，PC）这个寄存器用于保存将执行的下一条指令的地址。这些信息称为CPU上下文。

上下文切换

上下文切换是指 操作系统保存当前任务的上下文，并加载下一个任务的上下文 的过程。上下文包括了任务的寄存器状态、程序计数器、内存映射、打开文件等与任务执行相关的信息。通过上下文切换，操作系统可以暂停当前任务的执行，并切换到其他任务继续执行。

进程的三态模型是指进程在操作系统中的三种基本状态：运行态（Running）、就绪态（Ready）和阻塞态（Blocked）。

三态模型

1. 运行态（Running）：进程当前正在被CPU执行指令，处于活动状态。进程在运行态下使用CPU资源执行其指令流，并在时间片用完或者主动放弃CPU时可能会转换到其他状态。

2. 就绪态（Ready）：进程已经满足了执行的前提条件，但由于CPU资源有限，它还未被分配到CPU上执行。进程在就绪态下等待调度器将其选中并分配CPU资源，以便进入运行态执行。

3. 阻塞态（Blocked）：进程由于某些原因无法继续执行，需要等待某个事件的发生，例如等待I/O操作完成或等待某个资源的释放。在阻塞态下，进程被置于等待队列中，直到所需的事件发生，然后可能转换到就绪态或运行态。

当我们在Linux操作系统上查询到进程的状态为 R 时，说明该进程处于就绪态或者运行态。而查询状态为 S 时，则处于阻塞态。

五态模型在三态模型的基础上增加了新建态（New）和终止态（Terminated）。

五态模型

在三态模型的基础上，新增了两个状态：

4. 创建态（New）：进程正在被创建，但尚未完全准备好运行。在创建态下，操作系统正在为进程分配必要的资源和数据结构。一旦创建完成，进程将转换到就绪态等待被调度。

5. 终止态（Terminated）：进程已经完成了它的执行，或者由于某些原因被操作系统终止。在终止态下，进程释放占用的资源，并等待操作系统回收其相关的数据结构。

七态模型在五态模型的基础上还引入了两个额外的状态挂起就绪态（Suspended Ready）和挂起阻塞态（Suspended Blocked）。

在之前Linux进程状态的例子中，使用 kill -SIGSTOP 命令向进程发送信号使其转换为 T 状态使其暂停，就属于挂起就绪态的一种。

七态模型

在五态模型的基础上，新增了两个状态：

6. 挂起就绪态（Suspended Ready）：进程被挂起，暂时不参与调度和执行，但已准备好运行。

7. 挂起阻塞态（Suspended Blocked）：进程被挂起，暂时不参与调度和执行，且处于阻塞状态。

在某些情况下，操作系统的负载管理机制可能会挂起一些进程，以便在系统资源紧张时为其他重要任务腾出空间。

在Linux中，当系统内存资源不足时，操作系统可以使用 Swap 来将部分内存中的进程数据写入到硬盘上的Swap分区或Swap文件中。这样可以释放内存空间，为其他进程提供更多的可用内存。

当一个进程被挂起时，可能会将其相关的数据写入到 Swap 中，以释放内存。这样进程的状态可以转换为挂起就绪态（Suspended Ready）或挂起阻塞态（Suspended Blocked）。在这种状态下，进程不占用实际的内存资源，而是保存在Swap中，以便在需要时进行恢复。

当操作系统决定重新调度挂起的进程时，它从Swap中读取进程的数据，将其恢复到内存中，并将其状态转换为就绪态（Ready）或阻塞态（Blocked），具体取决于进程在挂起之前的状态。