进程状态 —— Linux内核（Kernel）

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文章目录

进程状态
- 一、Linux内核源代码
- 二、Linux的进程状态
- - 2.1运行状态（R/R+）
  - 2.2阻塞状态（S）
  - [2.3暂停状态（t && T）](#2.3暂停状态（t && T）)
  - [2.4 D状态（深度睡眠、不可中断睡眠）](#2.4 D状态（深度睡眠、不可中断睡眠）)
  - 2.5死亡状态（结束状态）
- 总结

进程状态

前提回顾：进程概念

进程状态指的是一个进程在其生命周期中所处的阶段

对于进程来讲，进程状态用于决定，当前进程要被调渡？运行？正在休眠？正在进行等待？在系统层面，当前进程状态决定 OS 应该如何处理这个进程

进程状态本质：task_struct 内部的一个整形变量（整数） ，后续 OS 会根据这个 "整数"（标志位）进行判断

一、Linux内核源代码

运行 && 阻塞 && 挂起

1.1运行状态

一个进程在 CPU 上运行时，其就是运行状态。在当代的计算机中，只要一个进程在调渡队列当中，我们就称该进程为运行状态 $并不是一个进程持有 CPU，才能叫做运行$

运行：进程在调渡队列中，进程的状态都是 running！

处于 running 状态的进程，要么正在被 CPU运行，要么已经完全准备完毕，随时等待被调渡

运行队列（Run Queue）：

1.2阻塞状态

在学习变成语言中，我们会遭遇的阻塞经历：cin/scanf。**传统意义上：**我们自己写的 C++ 代码，编译起来就是一个进程，当代码从上至下执行至 cin/scanf 我们的程序就停下来了 $等待用户输入$ ，输入数据后，当程序拿到了这份数据后，程序就会继续向后运行了

现代计算机理解中：当我们 cin/scanf 时，其实程序并不是在等待用户输入，而是等待键盘硬件就绪。在用户未按下键盘时，我们称之为键盘硬件未就绪，此时 cin/scanf 也就无法读取数据。因此，阻塞的意义：等待某种设备/资源就绪。在此期间，设备/资源未就绪，那么进程就不会被调渡

*设备队列（struct_device device）：**

运行：进程在调渡队列中你进程的状态都是 running

阻塞：等待某种设备或资源就绪 $OS 会管理系统中的各种硬件资源："先描述，在组织！"$

结论：进程状态的变化，表现之一是，要在不同的队列中进行流动。本质是数据结构的增删查改！

1.3进程的挂起

1、阻塞挂起状态

问题：如果在阻塞挂起状态，键盘突然就绪了呢？

因为OS是设备（软硬件设备）的管理者，所以OS会将对应进程，曾经换入到磁盘中的历史上的数据和代码，重新加载到内存，重新构建指针映射，最后将这些代码和数据换入内存后，形成完整进程，最后将进程放入运行队列中 ------ 这一过程，我们称之为 swap 对应的 "换入和唤出" 操作

其中，

进程所对应的代码数据被放进交换分区：进程阻塞挂起

当进程换入时，将阻塞挂起进程重新改为运行状态，该进程就可以直接继续被调渡

挂起：将对应进程的代码和数据挂到外设（磁盘）上

换句话说，OS 是一个非常智能的软件，当内存资源不足时，OS 需要在整个系统层面上对内存资源进行 "辗转腾挪"

2、运行挂起状态

OS内存资源，"相当 " 吃紧，阻塞的进程资源全部挂起到外设上，内存仍然短缺，那么 OS 只能打 运行队列 中进程的主意了。OS 甚至会将处于运行队列末端的进程，交换给 swap 中，当真正真正调渡该进程时，再把对应进程换入

挂起的本质：暂时中止进程/线程的执行，将进程数据换入/唤出到磁盘的 swap 分区中，并保存其当前状态 $PCB$ ，以便后续恢复

1.4理解Linux内核链表话题

如何遍历整个进程？

数据结构中的双链表：

Linux 内核 $kernel$ 中的双链表结构：

task_struct 内部嵌套链表：

链表差异：

C 语言地址转化（宏 - offset）：获取结构体中所有字段地址

**最终结论：**以 offset宏 遍历链表，即可以访问进程（PCB）中的所有结构体中的所有字段

**结论：我们所对应的PCB在kernel中只存在一份，但同一个PCB可以同时映射于多种数据结构中。 **如此独特的性能归结于 kernel 中独有的双链表结构 $list_head$ ，以 list_head 为中心设计独有的算法

kernel 中的数据结构不是单一结构，如进程 $PCB$ 可能即属于运行队列，又属于全局链表；还可能即被放在运行队列中，又被放在等待队列中，这意味着：Linux中很多数据结构是网状的！

二、Linux的进程状态

2.1运行状态（R/R+）

"R - 0"

2.2阻塞状态（S）

"S - 1"

Linux角度 - 休眠状态
操作系统角度 - 阻塞状态（等待某种资源准备就绪：等待键盘输入）

在《操作系统》理论中，阻塞状态被称为：阻塞。但在 Linux 内核中阻塞状态我们称之为 S

我们在用户层直观的看到一个程序卡住不动了，说到底就是进程不被调渡了（有可能是在等待硬件设备的输入），因此这就是阻塞状态

在操作系统理论课程中，我们无从得知阻塞的标志位具体是什么的（0？1？...），但具体操作系统可以告诉我们 Linux的阻塞状态是 "S - 1"

2.3暂停状态（t && T）

t - 追踪状态

在先前我们的操作系统理论中并没有暂停状态；但在 Linux 当中是存在暂停状态的

T - 暂停状态

T (Stopped) ：进程的执行被暂停，通常是由于收到了一个信号（例如 SIGSTOP 信号或调试器的断点信号）
可以被重新唤醒，继续运行（例如通过发送 SIGCONT 信号）

什么是暂停状态？暂停状态又是什么呢？暂停状态又如何与 kernel状态对应起来呢？

一般暂停状态 $T$ 与阻塞状态 $S$ 不一样（**进程阻塞S：**一个进程在等待某种资源；**进程暂停T：**不具备某种条件或进程做了非法操作，那么操作系统就将对应的进程暂停了，这属于Linux特有的一种状态）

暂停状态（t && T）：止损；操作系统怀疑进程有问题，将进程暂停 $t - 断点调试；T - Ctrl + Z$ 交给用户，让用户裁决是否继续进程

2.4 D状态（深度睡眠、不可中断睡眠）

进程在等待某个事件（如等待输入输出完成、等待信号量、等待网络数据等）而暂停运行。睡眠态分为两种：

可中断睡眠态
- S (Interruptible Sleep) ：进程在等待一个事件的完成。在这种状态下，进程可以被信号唤醒（例如用户按了 Ctrl+C）或中断
- 常见例子：等待用户键盘输入、等待套接字连接
不可中断睡眠态
- D (Uninterruptible Sleep) ：进程也在等待事件（通常是I/O操作），但不能被信号唤醒或中断。这是为了保护某些关键的进程，确保它们在完成特定任务前不会被打断
- 常见例子：等待磁盘I/O操作。如果系统上有大量 D 状态的进程，通常意味着硬件（如磁盘）可能遇到了问题

休眠状态S，我们称之为可 中断睡眠（也叫浅度睡眠） $Linux中具体个性化的概念$ 。可终端休眠：如果一个进程处于 S状态，我们直接杀掉这个进程，这个进程会响应我们杀掉它的动作 $给出反应$

"D" 状态的进程不可被 kill掉！那什么时候 "D"状态就结束了呢？：一旦进程处于 "D"状态，那就只能等待该进程自己醒来，OS 无权杀掉它！；或者重启，甚至只能断电！

2.5死亡状态（结束状态）

X (Dead) ：进程已经完全死亡并被回收。这个状态只是一个瞬间状态，用户无法在 ps 或 top 等工具中看到这个状态的进程。（注意区分 僵尸状态 与 死亡状态 的时间阶段：(先)僵尸状态--->(再)死亡状态）

总结

状态	符号	含义	是否消耗资源
运行/可运行	R	正在或即将使用CPU	是
可中断睡眠	S	等待事件，可被信号唤醒	否（等待中）
不可中断睡眠	D	等待I/O，不可被信号唤醒	否（等待中）
僵尸	Z	已终止，等待父进程回收	否（但占用PID）
停止	T	被信号暂停执行	否

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