[Linux入门]---进程状态

1.进程主要状态

进程运行状态

①内存中有一个运行队列，其中有两个指针，一个指向已经准备好且用双链表链接起来、等待被调度运行的头进程PCB地址，另一个指向尾部进程，这样便可以很好地管理好这些等待被运行的进程了；
②运行队列中存在调度器，调度器通过计算进程时间片（进程被运行的时间），挑选进程放到CPU上去运行，这样便尽可能公平地使所有进程被调度；
③一个进程把自己放到CPU上运行，是不是要执行完毕才能把自己放下来呢？答案：当然不是！例如你使用C语言写的while(1)语句，你在显示屏上的黑框框中看到该语句一直被运行，记住不要用你的感知去揣测CPU的运行速度；实际上每个进程在CPU运行一定的时间（可能10ms左右）就会被放回内存的运行队列继续等待，直到再次被运行，因为CPU运行速度太快了，你可能感觉不到，所以才会误以为你写的进程代码一直在被运行；当你while(1)的语句在被运行的时候，你也可以使用浏览器、QQ等进程应用，这也可以说明进程是轮流在CPU上运行的！
总结：

在内存的运行队列中等待的进程和在CPU运行的进程，都可以说这样的进程处于运行状态！

进程阻塞状态

①我们的操作系统会将各种外设的属性信息，使用PCB结构体描述起来组织起来进行管理，描述外设的PCB结构体中，有指向等待队列的头尾指针，对需要等待外设输入的进程进行管理！
②举个栗子：我们使用scanf\cin语句，当这个代码进程运行起来的时候，不能直接被放在运行队列中，因为它还没有准备好，在键盘输入前，会被放到等待队列上排队，在键盘输入后，该进程才会被放到运行队列中。
③进程处于等待外设完成信息交互（信息的输入、输出等）的状态，叫做进程的阻塞状态。

进程的挂起状态

如果很多进程处于阻塞状态，那么操作系统的内存资源会严重不足，而处于阻塞状态中的代码和数据处于空闲，在保证操作系统能正常运行的情况下，会将PCB进程对应代码和数据放到磁盘上，只需要PCB结构体在等待队列中排队即可，当外设输入信息时，再将磁盘中的代码和数据唤出，唤入到内存中；操作系统置换出来的空间，又可以存放其他PCB结构体，提高了内存空间的利用率！（给面试官投简历，只需要你的简历等待筛选即可，不需要你个人到场）
处于进程PCB在等待队列中排队，代码和数据等资源被存放到磁盘中，该状态称为进程的挂起状态

以上是操作系统进程的主要的三种状态：运行、阻塞、挂起，其他的进程状态之后会学习，

2.Linux进程状态

Linux进程内核源代码

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）。下面的状态在kernel源代码里定义：

/*
* 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。 进程状态查看
Z僵尸状态（zombie）：进程结束没有被立即回收，该进程信息被维护的状态

①R运行状态

我们创建一个mypro.c文件写入如下代码：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
int main()    
{    while(1)    {    printf("hello prosserstate\n");    }    return 0;                                                                                               
}   

代码运行结果为：

在另一个窗口如下指令进行监测

$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myproc |grep -v grep

检测的结果为：

./myproc文件一直在显示屏打印，但看到监测的结果显示./myproc进程为睡眠状态，这是因为CPU运行速度太快，一下子就将要打印的数据输出到内存中，然后从内存中慢悠悠地输出到显示屏，大部分时间等待显示屏（外设）就绪，所以该进程一直处于睡眠状态。

我们对上面的代码稍作修改，再进行监测：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
int main()    
{    while(1)    {    // printf("hello prosserstate\n");    }    return 0;                                                                                               
}   

监测结果为：

我们这次注释掉了printf语句，CPU不需要和显示屏进行信息交互了，只需要运行./myproc进程即可，所以./myproc进程运行和处于运行队列等待的运行状态了，所以可以监测到./myproc进程为R状态。

状态后面有无+号的区别
①状态后面有+号，如某进程的状态为R+，说明该进程在前台运行；状态后面无+号，如某进程状态为R，说明该进程在后台运行；在后台运行的进程使用ctrl+C无法终止掉，需要使用kill指令才能杀掉该进程；在运行的进程后面加上&，进程将会在后台运行

②S睡眠状态

将myproc.c文件代码修改为：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
int main()    
{    int a=0;    printf("Enter# ");    scanf("%d",&a);    printf("echo>%d\n",a);    while(1)    {    sleep(1);                                                                //printf("hello prosserstate\n");                         }                                                            return 0;                                                    
}      

键盘准备输入的时候：

在另一个窗口输入如下指令：

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

键盘输入之前监测的结果为：

键盘输入数字：

键盘输入之后监测的结果为：

①运行上面的代码，需要从键盘中输入数据，./myproc进程在等待键盘输入时，处于S状态（休眠状态）；②在while循环中使用了库里面的sleep函数，也会进程处于S状态睡眠状态；③我们在xshell机器上输入命令，bash命令行等待我们输入指令的进程，就是处于S状态（休眠状态）

使用top指令监测机器上的各进程的状态：

可以看出来大部分的进程状态都处于S状态（休眠状态），Linux系统上S状态（休眠状态）就是操作系统的阻塞状态。

③D磁盘休眠状态

小故事： 在操作系统内，每天都有许许多多的进程在被运行，有一天有一个进程是要向磁盘中写入1GB的数据，因为数据量太大的同时从内存中写入磁盘的速度太慢了，所以该进程只能空闲地等待把数据写入磁盘成功或者失败，等待磁盘反馈信息给进程，而此时刚好操作系统空间资源严重不足了，阻塞状态的进程也将代码和数据放到磁盘上处于挂起状态了，但还是杯水车薪；于是操作系统便开始观察起了在操作系统中的所有进程，这是在干嘛呢？当然是准备杀进程了！很不凑巧地是发现了一个啥事都不干的进程，看到这操作系统哪里能忍，该进程当然被杀掉了！而该进程就是等待1GB数据写入磁盘的进程，当磁盘写入失败时，磁盘屁颠屁颠地跑回来想告诉进程一声：“进程，不好意思啊，写入失败了！”却发现进程不见了，无奈地只好继续忙自己手头上的工作上去了，而丢失的数据又用户最重要的数据！于是，用户一怒之下将操作系统、进程、磁盘三者通通告上了法庭，这三者都将接收正义地审判！在法庭上，法官问操作系统：“操作系统你可治罪，为什么要杀掉进程呢？”操作系统理直气壮地说：“法律（规则）赋予了我权力，让我管理底层软硬件资源，给用户良好的体验，而这个进程什么都没干，要么我杀掉他，要么用户的界面会卡到崩溃！”法官转头问向了进程：“进程，你可知罪?"进程战战兢兢地说：”法官大人，我才是受害者，我冤枉啊！我在等待磁盘写入信息完毕后给我反馈，然后将反馈的信息汇报给用户，突然就被杀掉了，我太难了！“紧接着法官问磁盘：“磁盘，你可知罪？”磁盘哭唧唧地说：“法官大人，我昼夜不停地工作，丝毫不敢有任何懈怠，可写入数据信息慢，也不能怪我啊，写入数据失败，但是人家的空间不够了，我总不能把其他数据丢了继续写入吧？我只是一个打工的，只想好好地工作，呜呜呜！”法官皱着眉毛想：“他们三个好像都没有错误，可用户那边我怎么交差呢？”法官心生一计：“可以设置一种状态，进程在等待磁盘写入数据完毕期间，该进程不能被杀掉，该状态是针对今天这种状况，那就叫这种状态为磁盘休眠状态！”法官向用户承诺：”我已经颁布了一条法令，今后这种状况不会再出现了！“庭审结束一段时间后，操作系统资源又严重不足的，刚好看见一个进程等待大量数据写入磁盘中，该要”提刀“杀掉该进程，然而该进程不慌不忙地拿出”免死金牌“（即告诉操作系统我是处于磁盘休眠状态），操作系统只好作罢，向其他进程走去！

等待磁盘输入输出数据结束后响应的状态为D状态（磁盘休眠状态），操作系统内不能承载过多处于D状态的进程（一般只允许一两个），因为D状态的进程过多，会导致系统无法正常运转（太卡了）；操作系统层面状态切换很快，如果某进程能被用户查到为D状态，说明操作系统已经卡着很久了！

T停止状态

使用如下代码文件：

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
int main()    
{    while(1)    {    sleep(1);    printf("hello prosserstate\n");    }    return 0;                                                                                                                                                         
}  

kill指令控制进程暂停：

指令认识：

kill -9 Pid //杀进程
kill -19 Pid//暂停进程
kill -18 Pid//重新启动进程

使用暂停进程之前，进程所处的状态：

使用暂停进程之后，进程所处的状态：


进程重启之后所处的状态：

使用kill相关指令可以使进程暂停，进程暂停后进行重启，可以发现进程被放到后台运行了，按ctrl+C无法终止该进程，需要使用kill指令终结该进程。

gdb调试观察T状态：

在另一个窗口输入如下指令：

ps ajx | grep myproc

监测结果为：

①我们平时对调试代码打断点，让代码运行到端点处就是让该代码进程暂停的结果，所以是进程处于暂停状态是为了更好的控制进程；②这里暂时认为t状态和T状态是一致的，即都是暂停状态！

进程S状态和T状态的区别：

看似处于两种状态的进程都不在CPU运行，但是处于这两种状态的进程目的可能是不一样的，处于S状态的进程是为了等待某种资源（如键盘的输入），而处于T状态的进程也可能等待某种资源就绪，还可能是为了控制该进程达到某种目的（如就是不想让该进程运行了）。

④X死亡状态

我们称进程退出，进程资源已被回收的状态称为X状态（死亡状态）。

⑤Z僵尸状态

在操作系统中有的进程执行完任务正常退出，或意外被终止进程而退出，不管以上哪种情况，只要是进程退出，都会被放到垃圾队列种，等待资源回收，而退出的进程信息资源会维持一段时间，而此时的进程状态被称为Z状态（僵尸状态），直到父进程“关心”该进程（接收到该进程的退出信息），该进程的信息资源才会被系统回收。

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
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());    sleep(1);    }    // exit(0);    }    else if(id>0)    {    while(1)    {    printf("i am father, pid: %d ppid:%d\n",getpid(),getppid());         sleep(1);                                    }  //父进程当前没有针对子进程做任何事情                                                       }                  return 0;    
}                                                                         

代码运行的运行和监测结果为：

①使用fork进程创建了子进程，在5秒后，子进程正常结束，没有被创建自己的父进程回收，其中单词defunct也有僵尸的意思，说明该进程将处于僵尸状态；②进程一般退出的时候，如果父进程没有主动回收，子进程会一直让自己处于Z状态，进程的资源尤其是task_struct结构体不能被释放。

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，那子进程就一直处于Z状态？是的！
• 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？是的！
• 那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的个位置进行开辟空间，会使操作系统发生内存泄漏！

⑥孤儿进程

  #include<stdio.h>          #include<unistd.h>                        int main()               {    pid_t id=fork();                                                 if(id==0)                                                      {                                                       while(1)                        {                                                 printf("i am child procsser,pid: %d ppid: %d\n",getpid(),getppid());    sleep(1);    }    }    else if(id>0)    {    int cnt=5;    while(cnt--)    {    printf("i am father procsser,pid: %d ppid: %d %d\n",getpid(),getppid(),cnt);    sleep(1);    }    }                                                                                                   return 0;    }                                      

代码运行的运行和监测结果为：


查看Pid为1的进程

使用fork函数创建子进程，父进程先退出，子进程的父进程会被该改为1号进程（操作系统），即说明该进程被父进程领养，成为孤儿进程。

• 问题：父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？

父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”，孤儿进程被1号init进程领养，当然要有init进程回收喽

3.总结

操作系统层面上主要三种状态：运行状态、阻塞状态、挂起状态；在Linux操作系统中，R状态可以对应操作系统上的运行状态，S\D\T状态对应操作系统上的阻塞或挂起状态，X/Z状态以此类推也有与操作系统相对应的状态，操作系统之间的状态可能实现（划分）有所不同，状态的原理（概念）是相似的。