【linux】深入Linux进程调度：运行、睡眠、僵尸与不可杀死的D状态

Linux 的进程状态设置与前文讨论有所不同，各操作系统在这方面各有特色，但都具备进程状态的基本共性。下面我们一起来看看Linux内核中是怎样规定进程状态的

/*
 * Linux内核中的 task_state_array 定义
 */

static const char * const task_state_array[] = {
    "R (running)",      /*   0: TASK_RUNNING */
    "S (sleeping)",     /*   1: TASK_INTERRUPTIBLE */
    "D (disk sleep)",   /*   2: TASK_UNINTERRUPTIBLE */
    "T (stopped)",      /*   4: __TASK_STOPPED */
    "t (tracing stop)", /*   8: __TASK_TRACED */
    "X (dead)",         /*  16: EXIT_DEAD */
    "Z (zombie)",       /*  32: EXIT_ZOMBIE */
    "P (parked)",       /*  64: TASK_PARKED */
    "I (idle)",         /* 128: TASK_IDLE */
    NULL,
};

sleeping（浅度睡眠）running（运行）

接下来我们编译并运行下面的代码

#include<stdio.h>



int main()


{
        while(1)
        {
                printf("hello world!\n");
        }
        return 0;
}

打开另一个终端来查看这个进程的状态：

while : ;do ps ajx |head -1;ps ajx | grep myprocess;sleep 1;done

通过观察可以发现，./process进程的状态大多显示为S+，很少出现R状态。原因在于：当./myprocess执行时，进程在打印完"hello world"后会立即返回等待队列，等待资源就绪后再次执行打印任务。由于打印操作耗时极短，进程大部分时间都处于等待资源的状态（阻塞队列），只有极短时间处于运行状态，进程一直在运行队列和阻塞队列之间切换。因此我们观察到的进程状态几乎都是S+状态。

为什么称为S+状态？ "S"表示进程处于可中断的睡眠状态（Sleeping），而"+"号标识该进程为前台进程。前台进程可直接通过Ctrl+C快捷键终止，而后台进程则需使用kill命令等特殊方式终止（具体方法将在后续Linux网络章节详细介绍）。

如何让进程保持R状态？ 核心在于避免进程执行I/O操作。这样进程就不需要等待资源或终端响应，从而能够持续保持运行状态。 需要注意的是，进程的本质是执行任务，完全不涉及I/O的进程实际上是没有实用价值的。

#include<stdio.h>



int main()


{
        while(1)
        {
            //    printf("hello world!\n");
        }
        return 0;
}

补充说明

ps 命令只能捕获进程状态的瞬间快照，无法实时监控状态变化。连续执行ps时可能出现以下情况：

时间轴：    t0     t1     t2     t3     t4
进程状态：  R → S → R → S → R → S → R → S
ps采样点：   ↑           ↑           ↑
结果显示：  R           R           R

由于进程处于运行状态(R)的时间远长于睡眠状态(S)，随机采样的结果几乎总是显示为R状态。

即便是纯粹的CPU死循环程序，在top命令中也不会始终显示为R状态。由于Linux是多任务操作系统，CPU时间会被分配给所有就绪的进程。因此你会观察到该进程在R（运行中）和S（可中断睡眠------实际是由于时间片耗尽被调度器暂时挂起，但状态显示为S）之间快速切换。若系统仅有一个CPU核心且只运行该进程，则其显示R状态的时间比例将接近100%。

理解升华

掌握S和R状态的本质，就是把握进程生命周期的关键------计算与等待。R状态代表进程"执行"的瞬间，而大部分时间进程可能处于S状态等待各类资源（数据、用户输入、锁等）。系统性能优化的核心，正是通过减少不必要的等待，使进程能更高效地从S状态转换回R状态。

暂停

stopped

在终端中运行myprocess进程时，它会持续输出"hello world!"。当我们在另一个终端持续监控该进程状态时，如果在第一个终端按下Ctrl+Z，进程状态将变为T（__TASK_STOPPED），即暂停状态。

T状态表示进程因作业控制而暂停，通常由用户主动触发（如使用Ctrl+Z）。这种状态用于临时挂起进程，表明系统检测到进程存在问题，但问题尚不严重到需要终止进程，因此交由用户自行判断处理。

tracing stop

t状态（小写）表示进程被调试器暂停，通常是调试工具（如GDB）在断点处停止执行。这种状态属于调试过程中的正常现象，并不意味着进程出现异常。

disk sleep

S状态被称为浅度睡眠或可中断睡眠。为什么这么称呼呢？因为S状态可以通过Ctrl+C组合键中断。相比之下，D状态（深度睡眠）则无法通过Ctrl+C中断。这种设计意味着系统赋予了D状态进程更高的优先级，表明这些进程正在等待的关键资源必须得到保障，不能丢失。想象一下，如果这个进程被意外终止，而它正在处理的是你刚花600块购买的游戏皮肤数据，那这笔钱不就白白浪费了吗？因此，系统必须确保这些重要进程在等待资源时不会被意外终止。

Linux将阻塞状态分为D和S两种，它们本质上都属于等待资源的状态。系统根据所等待资源的重要性，将阻塞状态细分为D（不可中断）和S（可中断）两种类型。

一个进程一旦被设置为D状态，系统无法将它杀掉，只有等待到了资源或者重启计算机，才能杀掉进程。

dead

结束状态是指一个进程已经完成执行或被强制终止后所处的状态。

zombie

目前我们接触的进程都是其他进程的子进程。当进程退出时，并非所有资源都能立即释放：虽然代码和数据可以被释放，但进程控制块（PCB）（退出信息保存在PCB中）需要保留。创建子进程的主要目的是让它们完成父进程分配的任务。当子进程终止时，必须等待父进程回收资源，并向父进程报告任务执行情况。这也是为什么main函数通常返回0------表示程序正常执行完毕并退出。当子进程退出之后，父进程回收它之前，进程一直处于Z（僵尸状态）。

#include<stdio.h>

#include<unistd.h>
int main()


{

        pid_t id = fork();

        if(id == 0)
        {
                //chlid
                int count =5;
                while(count--)
                {
                        printf("我是子进程我正在运行%d\n",count);
                        sleep(1);
                }
        }
        else
        {
                while(1)
                {
                        printf("我是一个父进程\n");
                        sleep(1);
                }
        }
        return 0;
}

当count减为0时，子进程退出，父进程未回收，为Z僵尸状态。

如果父进程未能回收子进程，子进程的进程控制块(PCB)将一直驻留内存，导致资源泄漏。

需要注意的是，当进程正常退出时，系统会自动释放其通过new或malloc分配的内存空间，因此内存泄漏问题会随之消失。但对于长期运行的常驻进程而言，内存泄漏问题会造成持续性的负面影响。

unuse列表

当进程退出时，操作系统通常会采用一种优化策略来管理进程控制块(PCB)的回收和重用。具体实现方式如下：

进程终止处理流程：

首先操作系统会保存进程的退出状态码

然后断开进程与所有资源的关联

将进程从调度队列中移除

但不会立即释放PCB占用的内存

PCB回收机制：

系统维护一个unuse列表(空闲PCB链表)

退出的进程PCB会被标记为"僵尸状态"

将该PCB从活动进程表中移除

将PCB插入unuse列表的头部或尾部

重用优化：

当创建新进程时，系统首先检查unuse列表

如果列表不为空，则直接复用已有的PCB

只需重置PCB中的关键字段即可

这避免了频繁的内存分配/释放操作

实现示例(Linux内核)：

使用slab分配器管理PCB内存

task_struct结构体被放入专用缓存

退出进程的task_struct会被放回freelist

新进程优先从freelist获取内存块

这种设计的好处

减少内存分配的系统开销

提高进程创建速度

避免内存碎片问题

保持内核内存管理的稳定性

系统会定期检查unuse列表的长度，当空闲PCB数量超过阈值时，才会真正释放部分内存。这种延迟释放策略在大多数操作系统中都有应用。

孤儿进程

#include<stdio.h>

#include<unistd.h>
int main()


{

    pid_t id = fork();

    if (id == 0)
    {
        //chlid
        while (1)
        {
            printf("我是一个子进程%d  %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {
        int count = 5;
        while (count--)
        {
            printf("我是一个父进程%d  %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
       
    }
    return 0;
}

我们可以看到2286405是父进程，父进程退出后，子进程被1号进程领养了，这个时候进程被称为孤儿进程。如果不领养，进程的PCB得不到处理，会造成内存泄漏。

1号进程

 ps axj | head -1 && ps axj | grep systemd

当我们登录Linux系统时，系统会通过一个复杂的初始化过程最终为我们创建交互式shell环境。具体来说：

1. 系统启动后，首先运行的进程是PID为1的init进程（在现代系统中是systemd）
2. init进程会读取/etc/inittab配置文件（对于systemd则是读取对应的服务单元）
3. 根据配置启动getty或类似程序，在终端上显示登录提示
4. 当我们输入用户名和密码后，getty会调用login程序验证凭证
5. 验证成功后，login程序会：
   • 读取/etc/passwd获取用户默认shell（通常是/bin/bash）
   • 设置用户环境变量（读取/etc/profile和用户目录下的.profile等文件）
   • 根据/etc/login.defs设置用户进程限制
6. 最终，login进程会fork并exec用户指定的shell程序（如bash）
7. 这个新创建的bash进程会：
   • 继承父进程的环境变量
   • 执行/etc/bash.bashrc和~/.bashrc中的命令
   • 显示命令提示符，等待用户输入

整个过程确保了用户获得一个配置完善、安全隔离的工作环境。虽然1号进程是这一切的源头，但实际的bash创建过程是通过多级进程派生完成的。