操作系统中阻塞与挂起状态的区别及sleep()函数的实现机制分析

阻塞 VS 挂起

阻塞与挂起都是进程的状态&＃xff0c;但他们有一些相似之处&＃xff0c;也有一些区别&＃xff0c;下面先对他们进行概述&＃xff0c;再进行比较

阻塞&＃xff1a;正在执行的进程由于发生某时间&＃xff08;如I/O请求、申请缓冲区失败等&＃xff09;暂时无法继续执行。此时引起进程调度&＃xff0c;OS把处理机分配给另一个就绪进程&＃xff0c;而让受阻进程处于暂停状态&＃xff0c;一般将这种状态称为阻塞状态。

挂起&＃xff1a;由于系统和用户的需要引入了挂起的操作&＃xff0c;进程被挂起意味着该进程处于静止状态。如果进程正在执行&＃xff0c;它将暂停执行&＃xff0c;若原本处于就绪状态&＃xff0c;则该进程此时暂不接受调度。

共同点&＃xff1a;
1. 进程都暂停执行
2. 进程都释放CPU&＃xff0c;即两个过程都会涉及上下文切换

不同点&＃xff1a;
1. 对系统资源占用不同&＃xff1a;虽然都释放了CPU&＃xff0c;但阻塞的进程仍处于内存中&＃xff0c;而挂起的进程通过“对换”技术被换出到外存&＃xff08;磁盘&＃xff09;中。
2. 发生时机不同&＃xff1a;阻塞一般在进程等待资源&＃xff08;IO资源、信号量等&＃xff09;时发生&＃xff1b;而挂起是由于用户和系统的需要&＃xff0c;例如&＃xff0c;终端用户需要暂停程序研究其执行情况或对其进行修改、OS为了提高内存利用率需要将暂时不能运行的进程&＃xff08;处于就绪或阻塞队列的进程&＃xff09;调出到磁盘
3. 恢复时机不同&＃xff1a;阻塞要在等待的资源得到满足&＃xff08;例如获得了锁&＃xff09;后&＃xff0c;才会进入就绪状态&＃xff0c;等待被调度而执行&＃xff1b;被挂起的进程由将其挂起的对象&＃xff08;如用户、系统&＃xff09;在时机符合时&＃xff08;调试结束、被调度进程选中需要重新执行&＃xff09;将其主动激活

sleep()

之所以将sleep一起讨论&＃xff0c;是因为sleep是一个很常见的系统调用&＃xff0c;在很多编程语言中&＃xff0c;也有对应的函数&＃xff0c;所以一起讨论可以明白sleep的过程与阻塞和挂起在底层的效果又有哪些区别。

sleep()&＃xff1a;进程、线程或任务(Linux中不区分进程与线程&＃xff0c;都称为task)可以sleep&＃xff0c;这会导致它们暂停执行一段时间&＃xff0c;直到等待的时间结束才恢复执行或在这段时间内被中断。

OS中sleep()的实现

sleep()在OS中的实现的大概流程&＃xff1a;
- 挂起进程&＃xff08;或线程&＃xff09;并修改其运行状态
- 用sleep()提供的参数来设置一个定时器。
- 当时间结束&＃xff0c;定时器会触发&＃xff0c;内核收到中断后修改进程&＃xff08;或线程&＃xff09;的运行状态。例如线程会被标志为就绪而进入就绪队列等待调度。

PS&＃xff1a;关于第二点在这里要介绍一些背景知识&＃xff1a;可变定时器(variable timer)一般在硬件层面是通过一个固定的时钟和计数器来实现的&＃xff0c;每经过一个时钟周期将计数器递减&＃xff0c;当计数器的值为0时产生中断。内核注册一个定时器后可以在一段时间后收到中断。

在Linux下&＃xff0c;sleep()的实现流程大概如下&＃xff1a;

#include
#include
#include
#include ///时钟编程 alarm()
void wakeUp()
{printf("please wakeup!!/n");
}int main(void)
{printf("you have 4 s sleep!/n");signal(SIGALRM,wakeUp);alarm(4);//将进程挂起pause();printf("good morning!/n");return EXIT_SUCCESS;}


• 综上所述&＃xff0c;内核的sleep()函数是在挂起原语的基础上利用定时器实现的。

  调用以下哪些方法可以使运行状态的线程进入阻塞状态?( )A&＃xff0e;start( ),yield( ),sleep( ),join( )和wait( )B&＃xff0e;start( ),yield( ),sleep( ),join( ),wait( )和stop( )C&＃xff0e;yield( ),sleep( ),join( )和wait( )D&＃xff0e;yield( ),sleep( ),join( ),wait( )和stop( )参考答案
  正确答案&＃xff1a;C
  解析&＃xff1a;运行状态的进程如果调用了yield( )方法、sleep( )方法、
  join( )方法或wait( )方法&＃xff0c;或者申请对象锁未果、有更高优先级线程进入调度等&＃xff0c;
  都可进入阻塞状态。阻塞状态的进程在获取到足够的资源后
  &＃xff0c;也可以转入到可运行状态。

  编程语言中sleep()的实现

  首先希望大家都了解用户线程和内核线程的概念。编程语言中的线程&＃xff08;用户线程&＃xff09;与内核线程是有着一定的映射关系的。下面以Java为例&＃xff0c;解释一下用户线程与内核线程的映射关系&＃xff0c;不过多涉及实现细节。想要了解用户线程和内核线程的关系模型&＃xff0c;见 线程的三种实现模型

  Java线程API通常使用宿主系统的线程库来实现&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;在Windows中&＃xff0c;Java线程使用Win32 API来实现&＃xff0c;而在Linux和Unix系统中使用Pthread。而且&＃xff0c;JVM规范并没有指明Java线程如何被映射到底层的OS&＃xff0c;而是让特定的JVM实现来决定。例如&＃xff0c;在Window XP中采用一对一模型&＃xff0c;而对于Solaris系统&＃xff0c;刚开始采用多对一模型&＃xff0c;从Solaris 9开始采用多对多模型。

  看到这里大家应该明白了&＃xff0c;用户线程的sleep()正是利用内核提供的sleep()来实现的&＃xff0c;没有内核的支持&＃xff0c;用户线程也只能忙等直到规定的时间结束。

  参考资料&＃xff1a;
  
  1. 《计算机操作系统&＃xff08;第四版&＃xff09;》&＃xff0c;汤子瀛等著
  
  2. 《操作系统概念&＃xff08;第七版&＃xff09;》&＃xff0c;Silberschatz等著&＃xff0c;郑扣根译
  
  3. Quora 问答
  
  4. http://blog.csdn.net/freezgw1985/article/details/5631922
  
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Sleep_(system_call)
  
  6. http://man7.org/linux/man-pages/man3/sleep.3.html
  
  7. http://man7.org/linux/man-pages/man2/nanosleep.2.html
  
  8. http://man7.org/linux/man-pages/man2/alarm.2.html