Linux进程状态详解：僵尸进程与孤儿进程的深度探索与实践

cdut_suye2025-03-18 8:25

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前言

在Linux操作系统中，进程状态是操作系统资源调度和管理的重要组成部分。每个进程在其生命周期中都会经历多种状态，常见的有运行、睡眠、停止等，而其中的 僵尸进程 和 孤儿进程 则是我们必须特别关注的特殊进程类型。僵尸进程虽然已终止，但由于父进程未回收其退出状态，依然占据系统资源；而孤儿进程则是在父进程结束后继续存在，并由 init 进程接管。这些特殊进程的存在可能会对系统的资源管理和性能产生影响，了解它们的形成原因、特点及解决方式，对于优化系统、提高效率具有重要意义。本文将深入解析Linux中的进程状态，重点讨论僵尸进程与孤儿进程的形成、影响及处理方法。

一、进程状态概述

操作系统中的进程状态反映了每个进程当前的活动状态。以下是 常见的进程状态，包括其意义、特点及常见场景。

1.1 运行状态

描述： 进程正在 CPU 上执行，或者处于就绪状态等待 CPU 调度。

触发：

  • 进程被调度到 CPU 上运行。
  • 睡眠态的进程被唤醒并准备运行。

详解 ：一般的计算机只有一个CPU，但是进程却是有很多个，对 CPU 来说，运行的本质就是被 CPU 调度，所以每个 CPU 都会有一个运行队列，所有的进程要运行都必须在运行队列上排队，而参与排队的是每一个进程对应的PCB 对象

一个进程被 CPU 调度运行，并不是要一直运行直到完毕，假如说一个程序里有一个死循环，导致程序无法终止，进程没法结束，那这时其他的进程就没办法运行，操作系统为了避免一个进程长时间占用 CPU 资源的情况的发生，提出了一个叫做时间片的概念。

时间片（Time Slice）是操作系统中用于实现进程调度的一种机制。在多任务操作系统中，CPU的时间被划分为若干小段，每个进程在一个时间片内运行，时间片用完后，操作系统会暂停该进程的执行，将CPU分配给下一个进程。这种方式是实现多进程并发执行的关键。

时间片的长度对系统性能有很大影响：

  • 时间片过短会导致频繁的上下文切换，增加系统开销。
  • 时间片过长则会导致响应时间较长，影响系统的实时性。

时间片的调度通常由操作系统内核根据不同的调度算法（如轮转法、优先级调度等）来进行管理。

1.2 阻塞状态

阻塞状态（Blocked State）是操作系统中进程的一种状态，指的是进程由于等待某些事件或资源而无法继续执行的状态。常见的情况包括：

  1. 等待输入/输出（I/O）操作完成：当一个进程发起I/O操作（如读取文件、等待网络数据）时，如果I/O操作还没有完成，进程会进入阻塞状态，直到I/O操作完成。
  2. 等待信号量或资源：进程可能需要等待某个资源（如共享内存、锁等）或同步信号（如信号量、条件变量等），如果该资源当前不可用，进程将进入阻塞状态。
  3. 等待事件发生：某些进程可能需要等待特定事件的发生才能继续执行，例如等待其他进程的结果或信号。

在阻塞状态下，进程不会占用CPU资源，操作系统会调度其他进程进行执行。一旦进程等待的条件满足，操作系统会将该进程从阻塞状态转换回就绪状态，进程就能继续执行。

举个栗子：

在日常编程中，最常见的一种阻塞情况就是一个进程需要通过键盘读取数据，键盘是一种硬件，在冯诺依曼结构体系中属于输入设备，操作系统对硬件资源的管理是先描述再组织，因此每一个硬件都会对应一个结构体对象，该结构体对象中一定会维护一个等待队列，当一个进程需要利用该硬件资源时，进程的 PCB 对象就会被链入该等待队列，此时进程就处于阻塞状态。

1.3 挂起状态

在操作系统中，挂起状态（Suspended State）通常是指某个进程或任务被暂停执行，但并未完全终止。挂起状态允许操作系统在适当的时候恢复该进程的执行。挂起状态的主要目的是为了更高效地管理系统资源，尤其是在多任务处理和进程调度中。

一个进程在没有被 CPU 调度的情况下，其代码和数据都是空闲的，当系统内存空间告急时，操作系统就会把这些没有被 CPU 调度的进程的数据和代码先放到磁盘中存储，只剩下其对应的 PCB 对象在队列中排队，这种状态就叫做进程的挂起状态。

以上介绍的都是操作系统学科的常见知识，不同的操作系统会有不同的实现方案，现在我们就来看看 Linux 操作系统下的各种进程状态。

二、具体的Linux操作系统中的进程状态

以下是 Linux 操作系统下的常见状态：

状态符号 状态名称 描述
R 运行（Running） 进程正在 CPU 上运行或处于可运行状态，等待被调度。
S 可中断睡眠（Sleeping） 进程正在等待某个事件（如 IO 操作完成），可以通过信号唤醒。
D 不可中断睡眠（Disk Sleep） 进程正在等待硬件资源（如磁盘 IO），无法被信号中断。
T 停止（Stopped） 进程已暂停，通常由用户发送 SIGSTOP 或 SIGTSTP 信号。
Z 僵尸（Zombie） 进程已终止，但其退出状态尚未被父进程读取。
t 挂起（Tracing stop） 进程被调试器（如 gdb）挂起。
X 死亡（Dead） 进程已经终止（极少见）。

2.1 Linux内核源代码

cpp 复制代码 
/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
static const char * const task_state_array[] = {
	"R (running)", /* 0 */
	"S (sleeping)", /* 1 */
	"D (disk sleep)", /* 2 */
	"T (stopped)", /* 4 */
	"t (tracing stop)", /* 8 */
	"X (dead)", /* 16 */
	"Z (zombie)", /* 32 */
};

2.2 查看进程状态

  • 先来看看下面这段代码执行起来后的进程状态。
c 复制代码 
int main()                                                    
{                                                             
    while(1)                                                  
    {    
         printf("Hello \n!");                                                     
    }    
    return 0;    
}

目前这段代码执行出来的进程状态是 S+ 睡眠状态（'+' 代表前台运行，暂时不用管），在这段代码中，printf 的执行涉及到终端输出的 I/O 操作。如果在输出期间终端忙碌或缓冲区满，操作系统会将进程暂时挂起，进入 可中断睡眠态（S）。

  • 将 while 循环中的打印去掉再去执行代码看看进程状态。
c 复制代码 
int main()                                                    
{                                                             
    while(1);                             
    return 0;    
}

这段代码执行出来的进程状态是 R+ 运行状态，该程序会在 while(1); 无限循环中不断运行，占用 CPU，但没有任何实际的操作或输出。由于没有被阻塞、暂停或终止，它始终处于 运行状态（Running），并且在没有外部干预的情况下无法退出。

2.3 D磁盘休眠状态(Disk sleep)

有这样一个场景，一个进程需要向磁盘中写入大量数据。在正常情况下，当进程往磁盘写数据时，它需要等待磁盘写入完成，才能继续执行。这时，进程会处于阻塞状态，也就是在内存中等待外部事件（磁盘操作）完成后，再继续执行。

有一天，进程A就在向磁盘写入大量数据，磁盘正在处理这个请求，进D状态的定义：

当进程进入D状态时，它会处于一种深度睡眠状态，无法响应任何外部的信号，甚至不能被操作系统kill掉。这个状态通常是在进程进行I/O操作时，等待磁盘、网络或其他外部资源的响应。当进程处于D状态时，它实际上是在等待一个长时间的I/O操作（如磁盘写入、读取等）。在此期间，其他任何进程无法干扰它的执行，确保了数据的完整性。程A却在内存中翘着二郎腿，嗑着瓜子在等待磁盘写完后通知它。这时，操作系统发现了进程A，系统检查到内存资源非常紧张，认为进程A占用了大量内存，却什么都不做，导致系统性能下降。

于是，操作系统决定将进程 A kill 掉，释放资源。操作系统向进程A发送了kill 信号。可是，进程A并没有响应，因为它此时处于D状态（深度睡眠状态），在等待磁盘写入完成。这个状态下，进程无法响应任何外部信号，也无法被终止。于是，进程A就被强行终止，结果是磁盘写入过程被中断，数据没有被完整写入磁盘。

磁盘一时也无法应对这种情况，它原本正等待进程A的写入操作完成，但由于进程被终止，磁盘只能丢弃那部分未完成的数据。最终，数据没有被保存，文件操作失败。

此时，法官出来审问：

  • 操作系统："我只是尽力为系统释放内存资源，确保其他进程能顺利运行。我发现进程A占用了大量内存而没有活动，所以就决定将它kill掉。系统流畅性是我的责任，不能因为它占用内存不干正事就放任它。"
  • 磁盘："我一直按照我该有的规则工作，进程A让我写入数据，结果它在写入中途突然消失。没有进程的指令，数据我只能丢掉。我们磁盘一直是这样的做法，其他磁盘也是如此。"
  • 进程A："法官，我才是受害者呀！我只是在等待磁盘完成任务，结果就被强行kill掉了，哪里有我的错？"

经过审问，法官得出结论：操作系统、磁盘和进程A都没有错。这场悲剧的发生是因为操作系统设计上的一个问题。法官最终判定：为了避免类似情况发生，必须让进程在向磁盘写入数据时不能被随意终止。因此，**D状态（深度睡眠状态）**应运而生。

D状态的定义：

当进程进入D状态时，它会处于一种深度睡眠状态，无法响应任何外部的信号，甚至不能被操作系统kill掉。这个状态通常是在进程进行I/O操作时，等待磁盘、网络或其他外部资源的响应。当进程处于D状态时，它实际上是在等待一个长时间的I/O操作（如磁盘写入、读取等）。在此期间，其他任何进程无法干扰它的执行，确保了数据的完整性。

2.4 T停止状态(stopped)

在Linux操作系统中，**停止状态（stopped）**是进程的一种状态，通常表示进程被挂起，等待某些条件或操作。与"运行状态"和"睡眠状态"不同，进程处于停止状态时，它已经被显式地暂停执行。

停止状态的概述：
  • **停止状态（stopped）**指的是进程被暂停，通常是通过发送信号或者由操作系统控制某个进程的运行。这种状态的进程不会继续执行，直到收到适当的信号来恢复运行。
停止状态的触发条件：

进程进入停止状态通常由以下原因触发：

  1. 用户发送信号：

    • SIGSTOP ：这是一个可以让进程进入停止状态的信号，通常是由系统管理员或用户主动发送。使用 kill 命令可以发送此信号，比如：

      bash 复制代码 
      kill -STOP <进程ID>

      或者使用更简洁的形式：

      bash 复制代码 
      kill -19 <进程ID>

      19 是SIGSTOP 的信号编号，当进程接收到 SIGSTOP 信号时，它将立即进入停止状态，并停止执行。

    • Ctrl+Z ：在命令行界面中，用户可以通过按下 Ctrl+Z 来将当前进程暂停。这实际上就是发送了 SIGSTOP 信号，令进程进入停止状态。

  2. 调试器控制：

    • 调试器（如 gdb） ：当你使用调试工具进行调试时，调试器会将目标进程暂停，以便开发者检查和修改程序的状态。调试器会发送 SIGSTOP 信号，进程因此进入停止状态。

  3. 父进程发送信号：

    • 父进程有时会主动暂停子进程，特别是在进程管理、协调或者资源控制中。可以通过发送 SIGSTOP 或者使用如 waitpid() 的系统调用来暂停进程。
停止状态的行为：

  • 暂停执行：当进程处于停止状态时，它不再消耗CPU资源，不会执行任何指令。它就像是被"冻结"了一样，直到它收到继续执行的信号。

  • 可以恢复 ：停止状态的进程并不是永久停止的，它可以通过发送 SIGCONT 信号恢复运行。比如，如果你想恢复一个被暂停的进程，可以使用以下命令：

    bash 复制代码 
    kill -CONT <进程ID>

    或者使用更简洁的形式：

    bash 复制代码 
    kill -18 <进程ID>

    这会使进程从停止状态恢复到运行状态。

三、僵尸进程

僵尸进程 （Zombie Process）是指已经完成执行的进程，但它的父进程尚未调用 wait() 系统调用来读取它的退出状态，从而没有将它从进程表中清除掉的进程。换句话说，虽然这些进程已经终止，但它们依然在进程表中占据一个条目，等待父进程来回收它们。

3.1 僵尸进程的形成原因：

每个进程在结束时，操作系统会为它保留一定的资源，以便父进程获取子进程的退出状态。如果父进程没有及时通过 wait() 或 waitpid() 来获取这个退出状态，操作系统会将该子进程的状态保留下来，形成一个僵尸进程。

3.2 僵尸进程的特点：

  • 状态为"Z" ：在 ps 或 top 命令的输出中，僵尸进程的状态通常显示为 Z（Zombie）。

    cpp 复制代码 
    int main()    
{    
    pid_t id = fork();    
    if(id == 0)    
    {    
        int cnt = 5;    
        while(cnt)    
        {    
            printf("I am child, pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid(),cnt);                    
            sleep(1);    
            cnt--;    
        }    
       _exit(0);    
    }    
    else 
    {
        while(1)
        {
            printf("I am father, pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

    上面这段代码在 myproc 进程中通过调用 fork 接口创建了一个子进程，子进程在执行完五次打印后就会被终止掉，其中的 exit 函数就是用来终止一个进程，父进程将一直运行。

  • 占用进程表项 ：虽然已经结束执行，但它仍占据一个进程表中的位置。操作系统不会立即回收这些资源，直到父进程调用 wait() 来收集子进程的退出信息。

  • 进程号和父进程号：每个僵尸进程都有一个进程ID（PID），但是它不再占用 CPU 时间。它依然保持父进程ID（PPID），直到父进程回收它。

3.3 如何避免僵尸进程：

  • 父进程调用 wait() ：这是最常见的清除僵尸进程的方式。父进程需要在子进程结束时调用 wait() 来获取子进程的退出状态，从而让操作系统回收相关资源。
  • 父进程退出时 ：如果父进程退出，而没有处理子进程的退出状态，操作系统会将这些孤儿进程的父进程指向 init 进程（PID 1）。init 进程会定期清理这些孤儿进程，防止它们成为僵尸进程。

四、孤儿进程

孤儿进程 （Orphan Process）是指其父进程已经终止或退出，但该进程本身依然在运行的进程。孤儿进程并不会因为父进程的死亡而被立刻销毁，它会被操作系统自动收养，由系统中的另一个进程接管，通常是 init 进程（PID 1）。

4.1 孤儿进程的形成原因：

孤儿进程的形成是因为进程的父进程在子进程仍在运行时结束。例如，父进程可能因某些原因（如崩溃、被杀死、退出）而提前终止，这时子进程还在继续运行，就成为了孤儿进程。

4.2 孤儿进程的处理：

操作系统会将孤儿进程的父进程ID（PPID）更改为 init 进程（PID 1）。init 进程会定期检查并回收所有孤儿进程的退出状态，确保它们能被清理，避免成为僵尸进程。

  • init 进程的作用 ：init 是系统中的第一个进程，它负责管理系统的启动和关闭。如果一个进程成为孤儿进程，init 会接管并负责清理该进程。它通过调用 wait() 系统调用获取孤儿进程的退出状态，防止它们成为僵尸进程。

4.3 孤儿进程的特点：

  • 父进程死亡：孤儿进程的父进程在它还在运行时已经退出或崩溃。
  • PID变更 ：当一个进程变成孤儿进程时，它的父进程ID（PPID）会被更新为 init 进程的PID（通常是 1）。
  • 仍然运行：尽管父进程已结束，孤儿进程通常会继续运行，直到它完成任务或退出。

4.4 孤儿进程与僵尸进程的区别：

  • 孤儿进程 ：父进程已经结束，子进程仍在运行。孤儿进程最终会被 init 进程收养并清理。
  • 僵尸进程：子进程已经结束，但其父进程没有及时回收子进程的退出状态，导致进程表中保留了该进程的条目，直到父进程清理该退出状态。

结语

理解Linux中的进程状态，特别是僵尸进程与孤儿进程的处理，不仅有助于提升你对操作系统内部机制的理解，也为实际工作中的系统管理和性能优化提供了有力支持。虽然僵尸进程和孤儿进程看似对系统运行影响不大，但它们的存在和处理方式往往反映了系统资源的有效管理和调度。在实际的开发与运维过程中，掌握如何发现、避免和清理这些进程，能有效提升系统的稳定性和响应速度。希望本文对Linux进程状态的详细分析，能够帮助你更好地理解Linux系统的运行原理，为后续的调优和故障排查提供实用的指导。

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