面试题：进程管理：执行过程中进程状态转换及调度算法的影响

Question

在进程执行过程中，会经历多种状态转换。请描述这些状态以及状态转换的条件。此外，不同的调度算法（如先来先服务、最短作业优先、时间片轮转等）如何影响进程在这些状态之间的转换以及系统整体性能？

Answer 1

进程的状态及转换条件

1. 就绪（Ready）状态
   • 定义：进程已获得除 CPU 以外的所有必要资源，一旦获得 CPU 就可以立即执行。
   • 转换条件：
     • 创建：当一个新进程被创建后，它首先进入就绪状态，等待系统分配 CPU 资源。
     • 阻塞解除：处于阻塞状态的进程，当导致其阻塞的事件完成（如 I/O 操作结束），进程进入就绪状态。
     • 时间片用完：在时间片轮转调度算法中，当进程的时间片用完，它从运行状态转换到就绪状态。
2. 运行（Running）状态
   • 定义：进程正在占用 CPU 执行其程序代码。
   • 转换条件：
     • 调度选择：当调度程序从就绪队列中选择一个进程，该进程从就绪状态转换到运行状态。
     • 时间片用完：在时间片轮转调度算法中，进程运行完分配的时间片后，从运行状态转换到就绪状态。
     • 阻塞：当进程需要等待某一事件发生（如 I/O 请求、信号量获取等）时，从运行状态转换到阻塞状态。
     • 抢占：在抢占式调度算法（如优先级调度且新进程优先级更高等情况）下，运行进程被剥夺 CPU，转换到就绪状态。
3. 阻塞（Blocked）状态
   • 定义：进程因等待某一事件（如 I/O 操作完成、信号量等）而暂时无法执行，此时进程放弃 CPU。
   • 转换条件：
     • 等待事件：当进程发起 I/O 请求、等待信号量等操作时，从运行状态转换到阻塞状态。
     • 事件完成：当进程等待的事件发生（如 I/O 操作完成、获得信号量等），进程从阻塞状态转换到就绪状态。

不同调度算法对进程状态转换及系统性能的影响

1. 先来先服务（FCFS, First - Come - First - Served）调度算法
   • 对进程状态转换的影响：按照进程到达就绪队列的先后顺序进行调度。一旦一个进程开始运行，它会一直运行直到完成或者因阻塞而放弃 CPU。因此，新到达的进程只能在就绪队列末尾等待，直到当前运行进程结束或阻塞。
   • 对系统性能的影响：这种算法实现简单，但对于长作业有利，对短作业不利。因为短作业可能需要等待很长时间才能被调度执行，导致平均周转时间和平均等待时间较长，系统的吞吐量相对较低。
2. 最短作业优先（SJF, Shortest Job First）调度算法
   • 对进程状态转换的影响：调度程序总是选择就绪队列中预计运行时间最短的进程投入运行。这可能导致长作业长时间等待，而短作业能快速得到执行。新的短作业到达就绪队列时，如果其预计运行时间比当前运行进程剩余时间短，在抢占式 SJF 中，当前进程会被抢占回到就绪队列，新短作业进入运行状态。
   • 对系统性能的影响：SJF 可以获得比较短的平均周转时间和平均等待时间，提高系统吞吐量。但它需要预先知道每个作业的运行时间，这在实际中往往难以做到，并且可能导致长作业饥饿。
3. 时间片轮转（RR, Round - Robin）调度算法
   • 对进程状态转换的影响：系统将 CPU 时间划分成固定大小的时间片，就绪队列中的进程轮流获得一个时间片的 CPU 使用权。当时间片用完，即使进程未执行完毕，也会从运行状态转换到就绪状态，回到就绪队列末尾等待下一次调度。
   • 对系统性能的影响：RR 调度算法能保证每个进程都能在一定时间内得到 CPU 执行机会，响应时间较好，适合交互式系统。但由于频繁的进程上下文切换，会增加系统开销，如果时间片设置过小，会导致上下文切换过于频繁，降低系统效率；时间片设置过大，则会退化为 FCFS 算法，失去公平性。