面试题：进程管理之基于PCB实现进程状态复杂控制的专家难度问题

Question

假设操作系统需要实现一种新的进程状态 '挂起 - 可中断'，用于在系统资源紧张时暂时挂起进程，但又允许特定信号唤醒。请详细阐述如何在现有PCB结构基础上进行扩展，以支持这种新状态，以及描述从其他状态转换到该状态和从该状态转换到其他状态的控制机制。

Answer 1

1. 在现有PCB结构基础上进行扩展

在进程控制块（PCB）中添加以下信息来支持新状态：

1. 新状态标志： 在PCB中添加一个状态字段，用于标识进程当前的状态。除了已有的状态（如运行、就绪、阻塞等），增加一个新的值来表示“挂起 - 可中断”状态。例如，假设用一个整型变量 state 表示进程状态，可定义一个新的常量值，如 SUSPENDED_INTERRUPTIBLE = 4。

// 假设PCB结构如下
struct PCB {
    int pid;
    int state; // 状态字段
    // 其他原有字段...
};

2. 挂起原因： 添加一个字段记录进程被挂起的原因，这有助于在唤醒进程时进行相应的处理。可以是一个字符串或者一个枚举类型。例如：

struct PCB {
    int pid;
    int state;
    char suspend_reason[50]; // 记录挂起原因
    // 其他原有字段...
};

3. 信号处理相关： 为了实现特定信号唤醒，需要在PCB中添加与信号处理相关的信息。比如，一个信号掩码（signal mask），用于记录哪些信号可以唤醒该进程。

#include <signal.h>

struct PCB {
    int pid;
    int state;
    char suspend_reason[50];
    sigset_t wakeup_signals; // 信号掩码，记录可唤醒信号
    // 其他原有字段...
};

2. 状态转换控制机制

从其他状态转换到“挂起 - 可中断”状态

1. 从运行状态转换： 当系统检测到资源紧张时，内核调度程序决定将当前运行的进程挂起。首先，将进程的CPU上下文保存到PCB中，以便将来恢复。然后，更新PCB的状态字段为“挂起 - 可中断”，并记录挂起原因。例如：

// 假设当前运行进程的PCB指针为current_pcb
current_pcb->state = SUSPENDED_INTERRUPTIBLE;
strcpy(current_pcb->suspend_reason, "Resource shortage");
// 保存CPU上下文到current_pcb中相关字段

2. 从就绪状态转换： 调度程序在选择下一个运行进程时，如果发现系统资源紧张，可能会选择将某个就绪进程挂起。同样，更新该进程PCB的状态字段和挂起原因。

// 假设要挂起的就绪进程的PCB指针为ready_pcb
ready_pcb->state = SUSPENDED_INTERRUPTIBLE;
strcpy(ready_pcb->suspend_reason, "Resource shortage");

3. 从阻塞状态转换： 当一个阻塞进程等待的事件短期内无法发生，且系统资源紧张时，内核可以将其转换为“挂起 - 可中断”状态。更新PCB状态和挂起原因，并处理相关的资源释放等操作。

// 假设要挂起的阻塞进程的PCB指针为blocked_pcb
blocked_pcb->state = SUSPENDED_INTERRUPTIBLE;
strcpy(blocked_pcb->suspend_reason, "Resource shortage and long - wait event");

从“挂起 - 可中断”状态转换到其他状态

1. 转换到就绪状态： 当进程接收到其 wakeup_signals 中记录的特定信号时，内核将该进程从“挂起 - 可中断”状态唤醒。首先，检查信号是否有效，然后恢复进程的CPU上下文（如果之前保存过），并将其状态更新为就绪状态，以便调度程序可以将其调度到运行状态。

// 假设接收到信号的挂起进程的PCB指针为suspended_pcb
if (sigismember(&suspended_pcb->wakeup_signals, received_signal)) {
    suspended_pcb->state = READY;
    // 恢复CPU上下文（如果之前保存过）
}

2. 其他转换（如直接转换到运行状态，在一些特殊调度策略下可能发生）： 在某些情况下，如系统资源突然变得充足且该挂起进程优先级较高，调度程序可能决定直接将其从“挂起 - 可中断”状态转换到运行状态。同样，需要恢复CPU上下文，并更新状态字段。

// 假设要直接运行的挂起进程的PCB指针为suspended_pcb
if (special_condition) {
    suspended_pcb->state = RUNNING;
    // 恢复CPU上下文
}