【Linux】进程状态

Linux进程状态

1、操作系统的进程状态

Linux内核中每一个进程唯一对应一个task_struct结构体，结构体中存储进程的状态，进程状态的本质是int类型整数，进程状态决定了进程接下来要执行什么任务，进程的状态有7种：

创建状态：创建进程
就绪状态：进程已经拿到所有资源，只差 CPU 时间片，随时可被调度运行
运行状态：调度器选中该进程，CPU 正在执行它的代码
阻塞状态：主动脱离调度队列，挂载到对应硬件的等待队列wait_queue；事件完成后回到就绪
结束状态：进程执行完毕return/exit()，释放资源

1.1 运行状态

一般计算机中只有一个CPU，但进程很多，CPU遵循先进先出（FIFO）的规则，所以CPU会维护一个运行队列，以队列的形式调度进程，队列的每个成员都是进程的PCB对象，凡是在运行队列中的进程，所处状态都是运行状态

1.2 阻塞状态

写一段代码并运行：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	int a = 0;
	scanf("%d",&a);
	printf("a = %d\n",a);
	return 0;
}

运行程序后执行到scanf时程序会停下等待键盘输入，此时进程阻塞

常见的阻塞是进程等待键盘输入数据的过程，键盘是一种硬件，操作系统对硬件的管理方式是先描述再组织，所以每一个硬件在内核中都有一个自己的结构体对象，结构体对象中会维护一个等待队列，用来存放所有等待该硬件事件的阻塞进程

所以阻塞本质是将当前进程从CPU的运行队列摘除，挂载到了硬件结构体对象中的等待队列

当用户敲击键盘输入时，操作系统从键盘的等待队列中取出改进程，放回CPU运行队列

所以阻塞与运行的本质：看你的task_struct在谁提供的队列中

1.3 挂起状态

swap

swap是磁盘上划分的一块专用分区，作用是内存不足时，把进程的代码或数据临时存到磁盘，用磁盘的空间换内存的空间，过度的swap会导致系统变慢

swap out表示把进程代码段、数据段 写入磁盘 swap 分区

swap in表示把 swap 分区里的进程代码或数据重新加载回物理内存，进程恢复普通就绪或阻塞状态

当内存空间不足时，操作系统会把没有被CPU调度的代码和数据放到swap分区，只留PCB在队列中排队，这种进程就处于挂起状态，如果进程处于阻塞状态时被挂起成我阻塞挂起，如果进程处于运行状态时被挂起成我运行挂起，如果内存还是不够，那么操作系统会选择性杀掉特定的进程

2、Linux中具体的进程状态

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。

2.1 状态在kernel源代码里定义

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 */
};

R运行状态(running)：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里
S睡眠状态（sleeping)：意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠（interruptible sleep））
D磁盘休眠状态(Disk sleep)：有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束
T停止状态(stopped)：可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行
X死亡状态(dead)：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态

2.2 查看进程状态

指令：ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myprocess

先写一段代码

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	while(1)
	{
		printf("我是一个进程：%d\n", getpid());
	}
	
	return 0;
}

运行后查看进程的状态

从上面可以看出代码执行时处于S睡眠状态，将printf打印语句删除后再运行

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	while(1);
	
	return 0;
}

此时进程状态变成了R状态

因为CPU的速度很快，在持续输出时，进程的大部分时间都用来等显示器输出，所以最终是睡眠状态，去掉printf后，进程不会去访问显示器，进程始终运行，所以最终是R状态

另外加号表示在前台运行，没有+表示在后台运行

在./myprocess后加上& 可以切换到后台运行

如果想停止在后台运行的进程可以用指令kill -9 + 进程PID 结束进程

2.3 D(disk sleep)不可中断休眠

如果进程需要磁盘写入数据，那么进程把数据交给磁盘后要等磁盘把数据全部写入，而在等待时间内进程不能结束，但操作系统检测到该进程在等待磁盘后，为了腾出更多的内存空间，会直接终止该进程，此时如果磁盘写入数据失败，磁盘找不到进程，无法告诉用户数据写入结果，磁盘会直接把数据丢掉，造成数据丢失

所以D状态存在的意义是让进程等待磁盘 IO 硬件操作时，屏蔽所有信号，避免操作系统打断读写磁盘的进程，避免造成数据损坏

2.4 T(stopped)停止状态

进程被外部信号冻结，完全停止执行，不等待资源

使用指令：kill -19 进程PID 可以使进程变成T状态

执行命令后，进程由R+状态变为T状态，并且进程会到后台运行

使用指令kill -18 进程PID 可以使进程结束T状态

结束停止状态的进程会到后台运行，此时只能通过kill -9 + 进程PID 指令将进程终止

T状态和S状态的不同之处是S状态下，资源就绪会自动唤醒，而T状态不会自动恢复，只能手动操作

3、僵尸进程

当一个进程结束时，退出信息有两种：main函数的返回值或收到的信号值，那么进程退出后退出的信息保存在哪里？答案是保存在进程自己的task_struct内核结构体 里，结构体中有两个关键成员：exit_state：标记进程状态，exit_code、exit_signal：存储退出码、杀死它的信号值

当一个子进程终止时，父进程没有读取子进程结构体中的退出信息，此时子进程就会进入僵尸状态

操作系统不会直接销毁它的task_struct，会把退出信息（exit_codeexit_signal）保存在这个结构体里，专门留给父进程读取。

只要父进程不去读取这份信息，task_struct就不会被内核释放，进程将一直处于僵尸状态

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	pid_t pid = fork();
	if(pid == 0)
	{
		printf("子进程退出\n");
		return 0; // 子进程退出，变僵尸
	}
    sleep(30); // 父进程休眠30秒，不调用wait回收
    return 0;
}

当程序运行时，查看程序的运行状态

当子进程结束后，子进程的用户态代码内存全部释放，父进程卡在sleep(30)，没有读取子进程退出状态，子进程无法被清理，成为僵尸状态

僵尸进程的危害：

进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程将一直处于 Z 状态
维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护
那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，会造成内存资源的浪费因为数据结构对象本身就要占用内存
造成内存泄漏

4、孤儿进程

僵尸进程是让子进程先退出，父进程运行，那么孤儿进程是让父进程先退出，子进程运行

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)
    {
        // 子进程代码段
        while(1)
        {
            printf("我是子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {
        // 父进程代码段
        int cnt = 5;
        while(cnt)
        {
            cnt--;
            printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

当父进程运行时查看运行状态

父进程和子进程都处于S状态

当父进程退出后查看运行状态

当父进程退出后，父进程被bash回收，所以不会出现僵尸状态，当父进程结束后，子进程的父进程会变成1号进程，这种进程就是孤儿进程，孤儿进程会被系统领养，给孤儿进程退出善后，孤儿进程会自动变成后台进程

补充：前后台进程的区分：谁能从键盘获取数据输入，谁就是前台，键盘只有一个，所以在获取输入时，只能有一个进程获取，前台进程任何时刻只能有一个，后台进程可以有多个，所以后台进程不能获取键盘数据，不能用ctrl + c终止，根据这一点可以区分前后台进程