Linux进程状态

一.基础知识

在进入到Linux进程状态学习之前，我们先学习一些基础知识：

1.1并发和并行

并发： 在单CPU的计算机中，并不是把当前进程执行完毕之后再执行下一个，而是给每个进程都分配一个时间片，基于时间片进行进程调度的过程叫做并发。
并行： 多个进程在多个CPU下分别、同时运行叫做并行。

1.2 时间片

Linux/Windows等民用操作系统，都是分时操作系统，他们会给一个进程规定一个时间，当这个时间过去了，这个进程就必须从CPU上剥离下来，换成另外一个进程运行，这个时间就叫做时间片。
分时操作系统的特点：调度任务追求公平。
实时操作系统：任务一旦执行，就优先并尽快使其执行完毕。

二.进程状态

在了解Linux进程状态之前，我们先了解一下进程的状态。
在操作系统的课程中，我们有如下一张图：
在这里插入图片描述

这张图宏观的描述了操作系统的状态，对于不同的操作系统，都有以上的这些状态，但是不同的操作系统对这些状态的处理方式是不同的。
下面，我们来详细的讲解一下等待。

等待

阻塞的本质是等待！

对于每个CPU，操作系统都要给它提供一个叫做运行队列的东西（FIFO），每次执行一个进程，就是把这个进程的task_struct链入运行队列中，CPU在处理进程时，就只需要到运行队列去取头节点即可。
在这里插入图片描述

当一个进程的时间片用完了之后，就删除队列的头节点，然后再将这个节点链接到队尾，之后执行下一个task_struct。
在这里插入图片描述
当一个进程处于运行队列中时，我们就称这个进程为运行状态，虽然可能这个进程实际上并没有被CPU执行。
那么，阻塞状态是什么样的呢？
在计算机中，大多数都是在做IO（外设访问）的。就譬如scanf函数，如果我们不输入数据的话，进程就获取不到数据，但，CPU不会一直等待这个进程。此时这个进程就会被设置为阻塞状态，需要等待底层硬件准备好，才会被重新放入运行队列中。
也就是说，阻塞状态其实就是在等待硬件。
而，操作系统管理硬件采取的态度也是：先描述，再组织。
最终也会呈现出一个结构体的形式：

struct device
{int type;//硬件类型int status;//硬件状态
//其他属性struct device* next//下一个硬件task_struct waitQueue;//等待队列
}

如下图：
在这里插入图片描述

还有一种状态叫做阻塞挂起。
阻塞期间，进程不会被调度，但对应进程的PCB和代码以及数据也是会占用内存的，若进程越来越多，则计算机的内存资源迟早不够用，那么，此时，操作系统为了保证整个系统的安全，就会将进程的代码和数据换出到磁盘中；当进程不阻塞时，操作系统再将对应的代码和数据换入到内存当中。
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我们现在将这张图整合起来。如下：

在这里插入图片描述
我想，现在大家就已经明白了等待的本质。

三.Linux进程

现在，我们讲解Linux的进程状态：
在Linux的源代码中，有如下状态：

static const char * const task_state_array[] = {"R (running)", /* 0 */  //运行状态"S (sleeping)", /* 1 */ //浅度睡眠状态"D (disk sleep)", /* 2 */  //深度睡眠状态"T (stopped)", /* 4 */     //停止状态"t (tracing stop)", /* 8 */   //调试状态"X (dead)", /* 16 */         //死亡状态"Z (zombie)", /* 32 */       //僵尸状态};

R和S状态

R状态：运行状态，进程链接在运行队列中的状态
S状态：休眠状态，进程阻塞挂起的状态。可中断睡眠（浅睡眠，可以被kill杀死）

当调用printf时，由于会一直做IO操作，就会一直等待外设，也就是浅度睡眠状态。
而一直执行一个空语句时，就会是R状态。
在这里插入图片描述

D状态

D状态也就是disk sleep，这也是睡眠状态的一种，是不可中断的睡眠，也就是深度睡眠。
这是专门为磁盘设计的状态。
为了保护访问磁盘的进程，禁止操作系统“杀掉”该进程，该进程就会处于D状态。
至于为什么不可以杀死这个进程，打个比方。
比方说，一个进程正在将重要数据写入磁盘，数据只写到一半时，进程突然被杀死，那么磁盘上可能会留下损坏的文件或未完成的事务。为了解决这个问题，Linux 设计了 D 状态，使进程在 I/O 完成之前不会被终止，从而保证数据的完整性和系统的稳定性。
值得一提的是，如果一个系统的大量状态在D状态下，那么它距离崩溃就不远了~~~

T状态和t状态

T状态是暂停状态，在认识这个状态之前，我们先认识两个信号。
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19号信号，可以让指定进程暂停，从而变成T状态
18号信号，可以让指定进程继续执行，此进程的状态就变成了S（浅度睡眠）

在这里插入图片描述
然后，我们使用18号信号恢复它。

在这里插入图片描述
我们发现，用18号信号恢复它之后就变成了R状态，而不是之前查出来的R+，这是什么意思呢？

带+号的是前台进程
不带+号的是后台进程

想要杀死后台进程，我们只能通过kill -9 pid来杀死。
另外，一个进程被暂停又被运行后，会变成后台程序运行。

而t状态是一种调试状态，就譬如使用gdb进入调试的程序，就会以t状态运行。

X状态、Z状态

X状态是死亡状态，当一个进程运行结束后就会进入X状态。不再描述
下面，我们详细的来解释一下Z状态。
Z状态，即僵尸状态。是处于死了之后还没人来管的状态，就譬如人死了法医还没来验尸的时候。
对于进程而言也是一样的，当一个进程return了之后，会返回一个退出码。

退出码

而这个退出码的信息，规定了这个进程退出的状态，就譬如0为正常退出，非0为异常退出。
我们先简单的谈一下退出码：
Linux系统中规定了一套退出码，它规定了0是正常退出，非0是异常退出。
而返回的值非0值共有256个。也就是1-255。
每一个非0的退出码都代表一类错误原因。
而我们程序员也可以自己维护一套退出码。
在Linux中，查最近一条进程退出信息的命令是：echo $?

在这里插入图片描述

僵尸状态

那么，为什么要返回一个退出码呢？
是因为，父进程/操作系统要知道子进程把任务执行的怎么样。
那么，什么是僵尸状态呢？

当一个进程退出时，它的代码和数据会被释放，但是它的任务结构体还在，task_struct中存放着该进程的退出信息。
当一个进程退出并且父进程还没有读取到子进程的返回码时，就会产生僵尸进程。
僵尸进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直等待父进程读取退出状态代码。
如果父进程不回收子进程，就会造成资源的浪费，因为数据结构本身就占据内存资源。此时就会造成内存泄漏（系统级）

现在，我们就知道了僵尸状态是什么样的了，现在我们写一段代码测试一下：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
int main()
{printf("I am parent process.My pid is %d,My ppid is %d."getpid(),getppid());pid_t id=fork();if(id==0){int cnt=10;while(cnt--){printf("I am Child process.My pid is %d,My ppid is %d."getpid(),getppid());sleep(1);}}else if(id>0){while (1){printf("I am parent process.My pid is %d,My ppid is %d."getpid(),getppid());sleep(1);}}return 0;
}

我们果然在这里观察到了Z状态，它变成了僵尸状态。
在这里插入图片描述
循环查询代码：

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

下面，再来一个问题，当父进程退出，子进程存在，这又是什么状态呢？

孤儿状态

儿子还在，但是parent却没了，那么这个儿子就变成了孤儿状态。
没错，这个状态就叫做孤儿状态。
下面，我们改一下代码：

 #include <stdio.h>2 #include <unistd.h>3 int main()4 {5     printf("I am parent process.My pid is %d,My ppid is %d.\n",getpid(),getppid());6     pid_t id=fork();7     if(id>0)8     {9         int cnt=10;10         while(cnt--)11         {12             printf("I am parent process.My pid is %d,My ppid is %d.\n",getpid(),getppid(13             sleep(1);14         }15     }16     else if(id==0)17     {18         while (1)19         {20         printf("I am parent process.My pid is %d,My ppid is %d.\n",getpid(),getppid()); 21         sleep(1);22         }23     }24     return 0;25 }