【Linux】进程（二）

进程（二）

文章目录

进程（二）
- [一、进程状态](#一、进程状态)
- - 1、进程的基础状态：运行、阻塞、就绪
  - 2、队列决定状态
  - [3、什么是阻塞？](#3、什么是阻塞？)
  - - （1）现象层面
    - （2）阻塞的本质流程
  - 4、挂起状态
  - [5、OOM Killer（内存溢出杀手）](#5、OOM Killer（内存溢出杀手）)
- 二、Linux下进程状态的具体实现
- - 1、进程核心状态
  - 2、SDT的对比
  - - [（1）S态（可中断睡眠）vs D态（不可中断睡眠）](#（1）S态（可中断睡眠）vs D态（不可中断睡眠）)
    - [（2）T态（停止态）vs S/D态（阻塞态）](#（2）T态（停止态）vs S/D态（阻塞态）)
  - 3、僵尸态（Z态）深度解析
  - 4、前台进程与后台进程
  - - [（1）前台进程](#（1）前台进程)
    - [（2）后台进程和T态展示](#（2）后台进程和T态展示)
    - （3）T态第二种展示
  - 5、孤儿进程
  - - （1）什么是孤儿进程？
    - （2）代码演示
  - [6、进程查看指令：ps -l](#6、进程查看指令：ps -l)
- 三、进程优先级

一、进程状态

1、进程的基础状态：运行、阻塞、就绪

进程的基础状态分为三种，这是所有状态模型的根基：

运行态（Running） ：进程正在CPU上执行指令，占用CPU时间片
就绪态（Ready） ：进程已具备运行条件，等待CPU调度，位于系统的调度队列（runqueue）中
阻塞态（Blocked，也叫等待态） ：进程因等待某事件（如键盘输入、磁盘读写）而暂停执行，不占用CPU，也不参与调度

2、队列决定状态

凡是task_struct（PCB）在CPU调度队列（runqueue）中的进程，均属于运行状态 ------不是只有正在CPU上执行的才叫"运行相关"，只要排队等着抢占CPU，就属于可调度的运行类状态，等待CPU分配时间片即可
所以进程状态可以再核心区分为两类，本质就看你的task_struct在谁提供的队列中：

运行态 ：task_struct在CPU调度队列（runqueue），参与CPU时间片轮转调度
阻塞态 ：task_struct在硬件设备的等待队列（wait_queue），脱离CPU调度，不参与时间片竞争

小知识：每一个硬件设备 （键盘、磁盘、网卡、鼠标等），操作系统都会为其维护一个独立的等待队列 。进程需要等待某个硬件完成操作（比如键盘输入、磁盘读写），就会被操作系统移到对应硬件的等待队列中，直到事件完成，再被移回CPU调度队列

3、什么是阻塞？

（1）现象层面

我们写代码时，最常见的阻塞场景就是scanf输入

运行这段代码后，你会发现程序 "卡住不动" ------不再往下执行，终端只显示提示信息，直到你输入一个整数并按下回车，程序才会继续运行 。这个"卡住不动、等待外部事件"的现象，就是阻塞

（2）阻塞的本质流程

从操作系统底层来看，阻塞的完整流程的是：

进程执行到需要等待外部事件的代码（如scanf等待键盘输入、读取文件等待磁盘IO）
操作系统 检测到这个需求，主动将该进程的task_struct从CPU调度队列中移除
将该task_struct放入对应硬件的等待队列（比如键盘等待队列、磁盘等待队列）
进程暂时失去CPU使用权，不再参与时间片轮转，处于"暂停执行"状态
当等待的事件完成 （如按下回车输入完毕、磁盘读写完成），操作系统再将该进程的task_struct从硬件等待队列移回CPU调度队列，进程变为运行态，等待CPU调度执行

打个比方：

就像你正在书桌前写作业（运行态），突然要等外卖（等待外部事件），你会主动离开书桌（移出CPU队列），站到门口的等待区（硬件等待队列），书桌（CPU）可以让给别人用；等外卖到了（事件完成），你再回到书桌旁排队（CPU调度队列），等待轮到你继续写作业（运行态）

4、挂起状态

当系统中进程过多（比如大量垃圾软件开机自启），内存被占满了 ，操作系统没法承载所有进程的代码和数据同时驻留内存，就会采用挂起（Suspend）机制 ，来缓解内存压力，挂起有两种：

运行态挂起 ：进程原本处于运行态 （在CPU调度队列），但因为长期不活跃 ，被操作系统换到磁盘的Swap分区 ，把内存留给活跃的进程使用，当该进程需要运行时 ，再从Swap分区转移回内存，再次回到运行态
阻塞挂起态 ：进程原本处于阻塞态 （在硬盘等待队列）,由于内存压力过大 ，被操作系统换到磁盘的Swap分区 。如果等待事件完成了 ，该进程就会被换回内存，变成运行态，等待CPU调度

挂起其实是用磁盘空间换内存空间 ，暂时缓解了内存不足的问题。代价是磁盘的读写速度远慢于内存 （内存是纳秒级，磁盘是毫秒级，相差上万倍），过度的Swap换入换出会导致系统响应变慢

我舍友电脑就是这样卡的，严重到打开word都要加载一分钟，后面才发觉原来是垃圾软件自动开启把内存给占满了。大量垃圾软件开机自启→进程数量过多→物理内存被占满→系统频繁进行Swap换入换出→磁盘I/O过载+CPU调度压力大→系统响应迟缓、卡顿。所以要记得清理垃圾软件

5、OOM Killer（内存溢出杀手）

如果挂起机制（Swap换出）仍然无法解决内存不足的问题，严重到内存和Swap都被占满。这时操作系统为了避免自身彻底崩溃，会触发OOM Killer（内存溢出杀手）机制 ------选择性杀死部分进程来释放内存，优先杀死占用内存大、优先级低的进程（比如后台无关的垃圾软件），保住系统核心进程（如桌面、终端）正常运行。

这也是为什么有时候电脑卡顿到极致，会自动关闭一些软件------本质是操作系统在自救

二、Linux下进程状态的具体实现

1、进程核心状态

R------运行态，只要task_struct在CPU调度队列（runqueue），状态就是R，无论是否正在CPU上执行
S------可中断睡眠（浅度阻塞），因等待事件阻塞（如scanf、sleep），可被信号唤醒（如Ctrl+C），能被kill命令终止
D------不可中断睡眠（深度睡眠），因等待磁盘I/O阻塞，不响应任何信号，kill -9也无法杀死，避免数据损坏。简单来说正在与磁盘交互的进程不能被打扰
T------停止态，被手动暂停（Ctrl+z）但是能通过SIGCONT信号恢复运行，后台进程读键盘就会进入此状态
t------追踪暂停态，被GDB等调试工具暂停，处于被追踪状态，调试结束后可恢复（就是暂停执行的意思）
Z------僵尸态，进程已退出，代码停止运行，但是task_struct未被回收，保留退出信息，不释放内存
X------死亡态，进程完全退出，task_struct被系统或父进程回收，不占用任何资源，无法通过ps命令查看

Kill命令是给进程发送信号告诉它应该做什么

kill 进程PID ，发送默认信号15，礼貌请进程自己退出，进程可以保存数据释放资源，甚至可以不理会这个信号
kill -9进程PID ，强制杀死进程，进程不能拒绝，也没办法保存数据，直接被内核销毁
kill -18 进程PID ，发送恢复信号SIGCONT ，当你按下Ctrl+Z，进程被暂停进入 T 态，给它发SIGCONT 信号，它就从 T 态变回正常运行

其他的很多概念我们还都不清楚，后面回慢慢解释的

2、SDT的对比

（1）S态（可中断睡眠）vs D态（不可中断睡眠）

相同点： 都属于阻塞态，task_struct都在硬件等待队列，不参与CPU调度
不同点： S态是"浅度阻塞" ，等待的是普通事件（如键盘输入、sleep），可以被信号唤醒、被kill终止 ；D态是"深度阻塞"，等待的是磁盘I/O（如保存文件、读取硬盘数据），绝对不允许被杀死
为什么D态不能被杀死？
就像你正在往U盘里拷贝重要的毕业论文，拷贝到一半时，有人强行拔掉U盘------会导致文件损坏、数据丢失。D态进程正在和磁盘进行关键交互（读写数据），如果强行用kill -9杀死，会导致磁盘数据写入不完整、文件损坏，甚至系统崩溃。因此，Linux内核会保护D态进程，不响应任何终止信号，直到磁盘I/O完

（2）T态（停止态）vs S/D态（阻塞态）

S/D态： 阻塞是"被动暂停"，因为等待外部事件（输入、磁盘IO），自己无法继续执行
T态： 停止是"主动/被动暂停"，要么是手动按Ctrl+Z暂停，要么是后台进程尝试读取键盘输入（违法操作）被系统暂停，和"等待外部事件"无关，恢复后能继续执行

3、僵尸态（Z态）深度解析

（1）僵尸的本质

僵尸态（Z态） ：进程的代码已经执行完了，所有运行资源（内存、CPU）都已释放，但唯独保留了task_struct结构体， 目的是保存进程的退出信息，供父进程或操作系统读取
简单说：Z态进程就是"死了但没完全消失"，只留下一个"身份证（task_struct）"，记录自己的"死亡原因"（退出信息）
退出信息是啥？
进程退出时，会产生退出码和退出信号 （就像main函数return 0），如果进程正常退出，退出码就是0 ，如果进程被kill杀死，退出信号就是对应的kill信号（比如kill -9的信号是9）
退出信号存在哪里？
所有退出信息（退出码、退出信号），都会保存在该进程的task_struct结构体中，不会立即释放

（2）回收僵尸进程

回收僵尸进程，本质就是释放该进程的task_struct结构体，清空保存的退出信息，彻底释放该进程占用的最后一点内存（task_struct本身占用的内存）

谁来回收？
这里简单提一下，主要由父进程回收 ，父进程通过wait()或waitpid()系统调用，读取子进程的退出信息，然后释放子进程的task_struct；如果父进程先退出，子进程会变成"孤儿进程"，由操作系统（init进程或systemd进程）负责回收
不回收僵尸进程的危害：内存泄漏
子进程必须被回收 ，如果刻意不回收（比如父进程无限循环，不调用wait()），子进程会永远处于Z态，其task_struct无法被释放，会一直占用内存，导致内存泄漏

对于一次性程序 （比如运行完就退出的小程序），即使有僵尸进程，程序结束后，操作系统会自动回收所有相关资源，内存泄漏问题会随之消失 ；但对于常驻程序、死循环服务 （如服务器程序），如果长期产生僵尸进程且不回收，会导致内存被持续占用，最终内存耗尽，系统卡顿、崩溃------这也是内存泄漏最严重的场景

（3）Z态进程演示

编译运行代码，此时显示了父进程和子进程的PID

另外打开一个终端执行ps aux | grep Z （过滤只剩下Z）
进程PID23191就是代码中创建的子进程
状态Z+，Z代表僵尸态，+代表它是一个前台进程 。这说明子进程已经退出，但父进程还没回收它的资源，所以它成了僵尸进程

执行kill -9 父进程PID ，终止父进程 。父进程退出后，子进程会被回收，Z态消失
此时再看Z态，已经没有PID为23191的进程了

回到第一个终端也显示，父进程被杀死了

4、前台进程与后台进程

Linux中，进程分为前台进程和后台进程，两者的运行机制不同

（1）前台进程

直接在终端执行命令（比如./test）就是进入前台进程

特点：终端会被该进程独占，此时输入其他指令都不会接收，只能等该进程结束 。
但可以Ctrl+c直接中止
谁能从键盘读取输入，谁就是前台进程
任意时刻只能有一个前台进程

（2）后台进程和T态展示

执行命令时，末尾加& （比如./test &），就能进入后台进程

特点：不占用终端输入，终端可继续执行其他命令
后台进程禁止读取键盘输入
后台进程可以有无数个

如果后台进程读取键盘会变成什么状态？

如果后台进程尝试用scanf等函数读取键盘输入，属于"违法操作" ------后台进程没有终端输入权限，操作系统会直接将该进程暂停，使其进入T态（停止态），无法继续运行

写一个有scanf的代码，并且编译运行它，运行成功，此时该程序是在前台运行

执行./test2 &，在命令末尾加了 &，表示后台运行

终端立刻返回了 [3] 8249。 3是终端给它分配的后台任务编号 ，8249是它的进程PID 。程序在后台运行到 scanf 时，需要读取键盘输入，但后台进程没有终端输入权限，被系统直接暂停了

执行 ps aux | grep 8249 ，可以看到PID 8249 对应的 STAT 列是 T （暂停态）

这验证说明了后台进程读取终端输入时，会被系统自动暂停，进入 T 态

fg 3（3 是它的任务编号），把这个暂停的后台进程拉回前台。
终端重新显示 ./test2，程序回到前台运行

（3）T态第二种展示

前台运行：./t_state
按Ctrl+Z，进程被暂停，终端提示"已停止"

执行ps aux | grep 进程PID，看到进程状态为T

5、孤儿进程

（1）什么是孤儿进程？

如果是父进程先退出，子进程还在运行，这个子进程就叫孤儿进程

因为任何进程退出，都必须被父进程回收资源，否则会变成僵尸进程 ，造成内存泄漏。但是如果父进程提前死掉，子进程没人收尸，系统就必须指认一个进程来负责子进程退出后的善后工作。Linux下默认是1号进程来领养孤儿进程

孤儿进程还会自动变成后台进程

（2）代码演示

从图中可以看到，父进程退出前，子进程 8335 的 PPID 为父进程 8334 。父进程退出后，子进程的 PPID 变为 1 ，子进程被系统 1 号进程领养，成为孤儿进程 。同时进程状态变为不带 + 的 S，证明其已转为后台进程

6、进程查看指令：ps -l

UID：用户ID，表示这个进程是由哪个用户启动的
PID：进程ID
PPID：父进程ID
PRI ：进程优先级，系统默认的优先级，初始值一般是 80，值越小，优先级越高，越先抢占 CPU
NI ：nice 值（优先级修正值），用来调整进程的优先级，默认值是 0

三、进程优先级

1、优先级

权限解决能不能使用资源的问题，而优先级解决能使用资源，但谁先谁后的排队问题
为什么需要优先级？
CPU、内存等系统资源是有限的，如果有很多进程，必须通过优先级规则决定进程获取CPU资源的先后顺序，避免资源争抢混乱

2、PRI与NI

Linux通过两个整型变量管理进程优先级 ：PRI（基础优先级）、NI（修正优先级/nice值）

公式：新PRI = 旧PRI + NICE
优先级规则：数值越小，优先级越高，越优先抢占CPU
nice值固定范围：-20 ~ 19，共40个优先级等级
在Linux操作系统当中，PRI(old)默认为80，即PRI = 80 + NI
注意：普通用户只能输入0~19不能输入负数（比如 -1），会提示权限不足；只有 root 用户可以输入 -20~19 之间的任意值

为什么优先级的变化范围是有限的？

因为Linux系统大体是分时操作系统，给进程分配时间片要求相对公平公正，较为均衡的让不同的进程都能得到一段时间的CPU资源。所以优先级不能太夸张。CPU如何实现同时运行多个进程

除此之外还有实时操作系统，智能驾驶里会用到，大家想了解更多可以查查资料哦

3、查看进程优先级信息

先写一个可以一直运行的代码，编译运行它

当我们的进程创建后，可以使用ps -al命令查看该进程优先级信息

在Linux下，初始进程一般优先级默认为80，NI默认为0

用top命令修改已存在进程的nice值

top命令 相当于Windows的任务管理器，能够实时动态显示系统中进程的资源占用情况
打开top后按r键，终端提示"PID to renice: "，输入你要修改的进程 PID，再按下回车

接着提示 "Renice PID 24040 to value: "，输入要修改的 nice 值,再按回车，按q退出top页面

再ps -al查看修改结果，可以发现PRI已经变成90（旧PRI+10），NI变成了10 ，说明修改成功