进程管理的关键：Linux进程状态与常用命令解析

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文章专栏：Linux

前言：

在现代操作系统中，进程是资源分配和任务调度的基本单位。作为一个多任务操作系统，Linux 必须在多个进程之间进行有效的调度和管理，这就需要对每个进程进行状态标记，从而明确进程当前的行为和系统资源的使用情况。

进程状态概念

进程是操作系统中程序执行的基本单位，它是一个正在运行的程序的实例。一个进程不仅包含程序代码，还包括其运行时的状态、资源（如内存、文件描述符）和执行信息。

为什么存在进程状态

进程状态的管理是操作系统实现多任务处理的关键。不同的进程状态能够帮助操作系统了解每个进程当前的执行状态，以便做出合理的资源调度和管理决策。简短来说，进程状态的存在有以下几个原因：

资源管理：不同的进程状态帮助操作系统高效管理CPU、内存、I/O设备等资源。比如，处于"就绪"状态的进程等待CPU时间片，而"睡眠"状态的进程等待I/O资源，可以避免无效的资源占用。
进程调度：操作系统根据进程的不同状态（如就绪、运行、阻塞等）来决定进程的执行顺序，实现公平且高效的调度。
并发控制：多任务操作系统需要有效地管理多个进程的并发执行。通过跟踪进程状态，操作系统可以协调不同进程的执行，避免冲突或竞争。
状态恢复与调度：进程在执行时可能会被挂起、等待或终止。进程状态帮助操作系统在合适的时机恢复、暂停或终结进程，确保系统正常运行。

linux几种进程状态

R - Running（运行中）：该进程正在使用CPU，或者在就绪队列中等待CPU调度。
S - Sleeping（睡眠中）：进程处于睡眠状态，通常表示它正在等待某些事件的完成或资源的释放，例如等待I/O操作（磁盘读写、网络数据、用户输入等）。
D - Uninterruptible-Sleep（不可中断的睡眠状态）：进程在等待某些硬件事件，无法被信号中断。
X - Dead（死亡）：这个状态在某些版本的ps工具中表示进程已经死亡（已被终止）。
T - Stopped（停止）：进程已被停止，通常是通过信号（如SIGSTOP）暂停或挂起的状态。
Z - Zombie（僵尸）：进程已经结束执行，但仍然保留在进程表中，等待父进程读取其退出状态。

进程状态

R状态

R状态 表示进程的"运行"状态，具体来说，是指进程正在运行或者准备运行的状态。这个状态包括了两种可能的情况：进程正在执行（在CPU上运行），或者进程处于就绪状态，等待操作系统调度器分配CPU资源。

R状态的详细解释：

含义：进程被操作系统的调度器选中并分配了CPU时间片，进程正在执行其指令。

常见场景：

进程获得了CPU时间片，正在执行其代码。
该状态下的进程正在占用CPU资源，进行计算任务、处理数据或执行其他操作

时间片（Time Slice）是操作系统在进行进程调度时所分配给每个进程的执行时间。每个时间片是一个固定的时间段，操作系统通过轮流分配时间片给各个进程，从而实现进程的多任务并发执行。

demo：

cpp 复制代码

# 执行代码
 #include<iostream>
 #include<unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 using namespace std;
 
 int main()
 {
    while(true)
     {
         cout<<" I am a prrocess"    <<"pid: " <<getpid()<<endl;     
         sleep(1);
     }
     return 0;
 }

利用ps查看进程

bash 复制代码

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep process

在进程状态属性为什么是S（睡眠状态），我们在执行进程的时候，为什么不是R（运行状态）

S状态表示进程正在等待某些外部事件的发生，通常是I/O操作。

执行流程：

等输入流写入到缓冲区。
操作系统将数据从缓冲区写入终端设备。
在写入过程中，cout命令可能会进入S状态，等待I/O操作（比如将数据从内存写入终端屏幕）。
当I/O操作完成后，cout命令恢复执行并退出。

**简而言之：**由于CPU运行速度太快，一直在等硬件设备，所以是S状态

cpp 复制代码

//执行代码
 #include<iostream>
 #include<unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 using namespace std;
 
 int main()
 {
    while(true)；
     return 0;
 }

再次利用ps查看进程

这次没有IO操作就不存在等待的IO的过程，所以进程就状态就是R（运行状态）

S状态

在Linux操作系统中，进程的S状态 代表进程处于睡眠状态（Sleep） ，通常也称为可中断睡眠状态（Interruptible Sleep） 。处于S状态的进程正在等待某个事件或资源的完成，例如等待I/O操作、等待信号或者等待锁释放等。该状态下的进程不会占用CPU资源，直到它的等待条件得到满足，并被唤醒。

S状态的详细解释：

含义：

S 表示进程正在等待某个事件或资源的完成，进入了睡眠状态。这是一个可中断的睡眠状态，意味着进程可以被外部信号中断。
在S状态下，进程会进入阻塞队列并挂起，直到所等待的条件满足（如I/O操作完成、资源可用等）或进程接收到信号（例如终止信号、暂停信号等）而被唤醒。
S状态通常发生在进程发起I/O操作（如读取文件、网络数据等）时，或者等待其他进程、信号或资源

常见场景：

等待I/O操作（磁盘I/O、网络I/O等）
等待外部信号、事件或进程间通信
等待资源（如内存、锁、硬件设备等）
等待系统调用完成（如read()、write()等）

demo：

cpp 复制代码

// 执行代码
 #include<iostream>
 #include<unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 using namespace std;
 
 int main()
 {
    while(true)
     {
         cout<<" I am a prrocess"    <<"pid: " <<getpid()<<endl;     
         sleep(1);
     }
     return 0;
 }

这本质上就是一种等待IO的行为。

执行代码，ps监控

bash 复制代码

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep process

等待资源：

cpp 复制代码

// 执行代码
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include<string>
using namespace std;
 
int main()
{
   string s;
   while(true)
    {
       cin >> s;
    }
    return 0;
}

执行代码，ps监控

bash 复制代码

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep process

在此处依旧是S状态，无论是等待系统资源还是外部资源都是等待某种资源。
CPU在执行进程的时候由于缺少资源，让进程在wait_queue(等待队列)中等待的这个过程就是一种（S）睡眠状态。

D状态

在Linux操作系统中，D状态 （不可中断睡眠状态，Uninterruptible Sleep）表示进程处于阻塞状态 ，但与S状态不同，进程处于D状态时不能被外部信号中断。这通常发生在进程等待某些硬件资源或进行阻塞I/O操作时。进程会一直处于D状态，直到资源或事件准备就绪为止。

**含义：**是进程在等待某些特定资源（通常是硬件资源或底层I/O设备）时的状态。

D状态的特点

不可中断 ：与S状态（可中断睡眠状态）不同，D状态下的进程不能被信号中断，无法通过外部操作（如发送SIGKILL）来强制终止。
通常是硬件等待：进程通常会在等待底层硬件设备（如磁盘、网络、文件系统等）响应时进入D状态。例如，进程可能正在等待磁盘设备返回数据，或者在等待硬件设备准备好进行某个操作。
阻塞I/O操作：进程在执行一些可能导致长时间等待的I/O操作时，可能会进入D状态，直到I/O操作完成。例如，读取磁盘上的大文件，或等待网络硬件返回数据。

3. 进程进入D状态的常见场景

等待硬件I/O操作完成：
- 磁盘I/O：进程在进行磁盘读写时，如果操作系统没有足够的缓冲区或磁盘设备忙碌，进程可能会进入D状态，直到磁盘操作完成。
- 网络I/O：例如，进程等待从网络接口接收到数据，或者等待将数据发送到网络。在某些情况下，进程会在等待网络设备准备好进行数据传输时进入D状态。

Z状态

Z状态也叫做僵尸进程

僵尸进程 是子进程已完成执行（死亡）但其父进程尚未读取子进程的退出状态。
在 ps 输出中，僵尸进程的状态标识为 Z。
僵尸进程不会占用系统资源（如 CPU、内存），但仍保留进程 ID（PID）。

Z状态的特点

内存占用

僵尸进程不占用内存或 CPU，因为它已经结束运行。
它只占用一个 进程 ID (PID) 和少量的系统资源来记录进程退出信息。

进程表中保留

Z 状态进程的条目会保留在进程表中，直到其父进程通过 wait() 系列系统调用清理它。
如果父进程没有处理子进程的退出状态，僵尸进程将一直存在。

进程进入Z状态的常见场景

cpp 复制代码

 #include<iostream>
 #include<unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 #include<string>
 using namespace std;
            
 int main()
 {                               
    pid_t id = fork();                                 
    while(true)                                        
     {             
         if(id == 0)                             
         {                           
             cout<<"我是子进程"<<getpid()<<endl;                   
            sleep(3);                   
         }              
         else
       {
            cout<<"我是父进程"<<getpid()<<endl;
            sleep(3);                                            
        }                                                 
    }                                 
     return 0;                                              
 }

上面的进程执行后会创建两个进程，然后杀死子进程

cpp 复制代码

kill -9 <pid> // 杀死进程

执行ps指令, 进程进程查看

bash 复制代码

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep process

观察上面的进程状态变为了Z状态。

如何造成僵尸进程

子进程创建： 父进程通过调用 fork() 创建一个子进程。
子进程执行： 子进程完成自己的任务并退出，进入 EXIT_ZOMBIE 状态。
系统通知父进程： 子进程退出时，操作系统会向父进程发送 SIGCHLD 信号，告知其子进程已终止。
父进程未处理：

如果父进程未对 SIGCHLD 信号做出响应，也未调用 wait() 或 waitpid()，子进程的资源无法被完全释放。
子进程的状态信息仍保留在进程表中，导致该进程成为僵尸进程。

僵尸进程的危害

占用系统资源
系统不稳定
潜在的安全隐患
干扰父进程逻辑

孤儿进程

有了僵尸进程，就存在孤儿进程

**孤儿进程（Orphan Process）**是指一个进程的父进程在其运行期间终止，但子进程仍在继续运行。孤儿进程由操作系统的 init 进程（PID 为 1）接管，init 会成为孤儿进程的新父进程，负责清理它在结束后的资源。

孤儿进程的特点

父进程已终止： 孤儿进程的直接父进程已经退出。
被 init 进程接管： 系统会自动将孤儿进程的父进程指向 init，由其负责清理子进程的资源。
进程状态正常： 孤儿进程仍在运行，不会进入僵尸状态。

进程孤儿状态的场景

cpp 复制代码

 #include<iostream>
 #include<unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 #include<string>
 using namespace std;
            
 int main()
 {                               
    pid_t id = fork();                                 
    while(true)                                        
     {             
         if(id == 0)                             
         {                           
             cout<<"我是子进程"<<getpid()<<endl;                   
            sleep(3);                   
         }              
         else
       {
            cout<<"我是父进程"<<getpid()<<endl;
            sleep(3);                                            
        }                                                 
    }                                 
     return 0;                                              
 }

杀死父进程

bash 复制代码

kill -9 <pid> // 杀死进程

执行ps指令, 进程进程查看

bash 复制代码

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep process

查看到子进程PPID是1.

孤儿进程的产生原因

父进程崩溃或异常退出： 父进程因错误、信号或其他原因终止，导致其子进程成为孤儿进程。
父进程有意终止： 某些设计模式下，父进程会主动退出，将子进程交给 init 进程接管。例如：
- 一些守护进程的实现会通过 fork() 两次来确保子进程独立运行。
  死父进程**

bash 复制代码

kill -9 <pid> // 杀死进程

执行ps指令, 进程进程查看

bash 复制代码

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep process

外链图片转存中...(img-t7Y5ceQx-1734353587109)

查看到子进程PPID是1.

孤儿进程的产生原因

父进程崩溃或异常退出： 父进程因错误、信号或其他原因终止，导致其子进程成为孤儿进程。
父进程有意终止： 某些设计模式下，父进程会主动退出，将子进程交给 init 进程接管。例如：
- 一些守护进程的实现会通过 fork() 两次来确保子进程独立运行。