Linux：进程状态

1. 进程状态

1.1 并行和并发

1.2 时间片

1.3 运行状态

1.4 阻塞（等待）状态

1.5 挂起状态

2. Linux的进程状态

2.1 运行状态

2.2 sleep状态

2.3 Stop状态

2.4 X和Z状态

2.5 孤儿进程

1. 进程状态

如果你看任何一本关于操作系统的教材，都会有类似下面进程状态转换图。但具体的操作系统有Linux，windows等，所以操作系统教材需要上升到一个更高的维度，抽象出所有操作系统的共性并阐述它。因此，我们难以理解下面的进程状态转换图，许多概念很陌生。

本文会从Linux操作系统入手，讲解其进程的状态。

1.1 并行和并发

并行：多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。

并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间内，让多个进程都得以推进，称之为并发。

单个CPU执行进程代码，不是把进程代码执行完毕，才开始执行下一个进程代码。而是给每一个进程分配一个时间片，基于时间片，进行调度轮转。

当您使用C/C++编写一个死循环代码并运行时，您可能会观察到程序并不会导致整个系统卡顿。这是因为现代操作系统的调度机制发挥了作用。具体来说，CPU在执行该死循环程序时，并不是无休止地持续运行，而是在用完了分配给该程序的时间片之后，操作系统会包括保存当前程序的状态（代码和数据），然后调度另一个进程来执行。

1.2 时间片

时间片（Time Slice）是一种在操作系统中使用的调度技术。在多任务操作系统中，为了能够公平且高效地共享处理器（CPU）时间，操作系统将一个进程的运行时间分割成许多小的时间段，每一个时间段就是一个时间片。

那如果我在听音乐和看视频，为什么我们不会感到卡顿？因为每个时间片通常极为短暂，仅存在于毫秒级别，而CPU的处理速度则是惊人的，每秒能够执行几亿甚至几十亿次基本操作。这样的高速处理能力，使得CPU在各个任务之间迅速切换，而用户几乎无法察觉到这种频繁的交接。

上面基于时间片轮转（time-slicing）技术的操作系统，叫做分时操作系统，主要应用于民用级别计算机。因为这类操作系统的进程调度优先级没有明显的区分，所以要求能调度多个进程，并追求调度任务公平。

与之相对的就是实时操作系统，它更注重任务的及时性和可靠性。主要应用于那些对时间敏感、对任务完成时间有严格要求的领域，如工业控制、航空航天、医疗设备、汽车电子等。

1.3 运行状态

进程 = 内核数据结构(task_struct) + 程序的代码和数据

task_struct结构体对象不仅记录了进程的各种属性，还有某种数据结构来连接多个进程，完成管理所有进程的工作。

当一个程序启动变成进程，先会创建task_struct结构体对象，再将该程序的代码和数据从磁盘加载到内存当中。该进程的pid为1.

此时，操作系统会有一个运行队列结构体，叫做runqueue。它里面有许多属性，其中有个变量类型是task_struct结构体类指针。该指针会连接内存中的task_struct对象。

如果还有更多程序启动，假设里面存在结构体指针，那么新进程结构体对象会被已存在进程对象中结构体指针连接。这样就被runqueue结构体对象管理起来。

当CPU要调度pid为1的进程时，我们假设使用最简单的FIFO(先进先出)调度算法，那么CPU会到runqueue队列中找到第一个task_struct对象，获取该进程main函数地址和数据，放到CPU的寄存器中，并执行该进程。

当CPU调度时间到达该pid为1进程的时间片，该进程会自动记录执行到那行代码和数据，操作系统会将该结构体对象从runqueue队列中剥离下来，连接到最后一个task_struct结构体对象的后面。之后，CPU获取队头的进程代码和数据，执行该程序。

如此循环往复，就完成了基于时间片的轮转调度。

我们也可以得出一个结论，在Linux操作系统中，只要进程在运行队列中，该进程的状态就叫做运行状态。此时表明进程已经准备好了，可以随时被CPU调度。所以不是进程正在被执行，进程状态才是运行状态。一般来说，就绪状态和执行状态可以合二为一，叫做运行状态。

1.4 阻塞（等待）状态

除了CPU内部设备，计算机还有许多外部设备，如磁盘、显示器、键盘和网卡等。

操作系统作为管理计算机软硬件资源的核心软件，在处理各类对象时，始终遵循“先描述，后组织”的基本原则。为此，操作系统定义了一个名为“device”的结构体，该结构体内包含了设备的类型、状态等关键属性。
同时，为了有效地组织和管理这些设备，结构体还会包含某种数据结构。我们这里结社结构体中还包括了一个指向同类结构体的指针，通过链表这种数据结构，将所有设备对应的结构体对象串联起来，形成一个有序的设备管理链。

如图所示，当CPU调度到标识为PID 1的进程时，若该进程执行到scanf函数并等待用户从键盘输入数据，此时进程将处于等待键盘输入的状态。由于用户输入数据所需的时间通常会远远超过该进程分配的时间片，CPU不可能因此暂停其他进程的调度。因此，该进程会变为阻塞状态，那怎么理解阻塞状态呢？

上面我们解释了操作系统管理硬件时，也会为硬件创建一个结构体。该结构体中会包含一个task_struct结构体指针，叫做waitqueue，即等待队列。操作系统会把等待键盘输入的进程结构体对象从runqueue剥离下来，键盘结构体对象的waitqueue指针会连入该task_struct对象。

如果有其他进程需要等待某个硬件设备的数据，该硬件设备结构体中会存在一个等待队列，连接进程的结构体对象。

因此，我们可以得出以下结论：当进程处于运行状态或阻塞状态时，其对应的PCB将被置于特定的队列中。本质上，进程始终在访问某种硬件资源，当它正在使用CPU资源时，我们称其为运行状态；而当它等待其他外部设备资源时，则处于阻塞状态。

1.5 挂起状态

当内存资源严重不足时，操作系统会将在处于阻塞状态的进程直接放到磁盘中的一个区域，这个区域叫做swap分期，此时进程的状态叫做阻塞挂起状态。

但是由于处于运行状态的进程太多而导致内存资源不足，而运行队列尾部的进程一段时间都不会被调度，操作系统就会将这些进程放到磁盘中的swap分区，此时进程状态叫做运行挂起状态。这是极端的操作，风险较大，一般不会出现。

2. Linux的进程状态

/*
* 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 */
};

上面是Linux源代码，表示进程的状态。分别有“R”“S”“D”“T”等状态。将会一个个展示。

2.1 运行状态

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{while(1){}return 0;
}

我们写个死循环，正常来说应该是运行状态。使用ps指令查询myproc进程的状态，会发现进程状态就是R+，其中“+”符号表示在前台运行。

2.2 sleep状态

#include <stdio.h>int main()
{int cnt = 0;while(1){scanf("%d", &cnt);}return 0;
}

当我们写一个scanf函数，进程会等待键盘数据，此时的进程状态是阻塞等待状态。使用ps指令查询myproc进程，会发现myproc程序的状态是S。对应最开始给出的Linux进程状态的解释是sleeping，即休眠。所以，Linux中的阻塞状态叫做休眠。

当我们想终止休眠状态下的进程，我们可以使用kill指令，发送信号终止进程。这种休眠状态叫做可中断睡眠，也叫浅睡眠。

与之相对的就是不可中断睡眠，即深度睡眠，就是disk sleep状态。disk sleep意思是磁盘休眠状态。当系统处在磁盘级拷贝，会进行大量的读写操作，此时无法使用kill指令终端进程。

2.3 Stop状态

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{int cnt = 0;while(1){printf("hello world, cnt: %d\n", cnt++);sleep(1);}return 0;
}

我们写一个死循环打印变量的程序，运行起来，会发现处于S状态。这是因为printf本质是向内存缓冲区写入数据，再输出到显示器上，而输入输出的时间相比于毫秒级的时间片很慢，所以百分制九十九以上的时间都在显示器的等待队列中。

我们可以使用kill指令，其中19号选项就是发送暂停信号。查看进程状态就是T，运行的进程也会出现终端，有Stopped提示。

如果想继续运行进程，可以使用kill指令的18选项，使暂停的进程继续启动。

但是你会发现该进程的状态变量了S，没有“+”符号，说明进程在后台运行。此时我们无法使用Ctrl+C终止程序，但可以使用kill指令9号选项终止程序。而一般出现T状态，说明进程做了非法饭不知名的操作。

后台进程是指在操作系统中，在后台独立运行的程序，它们不直接与用户交互。在Linux系统中，后台进程通常是那些不需要即时用户输入且执行时间较长的任务。这些进程在执行时，用户可以继续使用终端进行其他操作。相对应地，在Windows操作系统中，当用户将一个耗时的任务，如下载大文件，最小化其窗口后，该任务便在后台运行。此时，用户可以切换到其他应用程序，进行不同的工作，而下载任务则在后台安静地继续进行

2.4 X和Z状态

X状态指的是dead，就是死亡状态，顾名思义，指的是进程被终止了。

创建一个进程，是为了完成一个任务。父进程是要知道他的子进程完成任务的情况，子进程在退出时会记录一个退出信息。在Linux中，查看一个进程退出信息，可以使用echo $?指令获取。

执行ls指令，相当于执行一个程序，查看退出信息为0，说明进程执行任务成功。当使用ls查看不存在的文件，会报查不到该文件的错误，此时再查看退出信息就是非0的。我们所写的main函数一般都会返回0，就是告诉系统该任务执行成功。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main()
{printf("父进程运行，pid: %d,ppid: %d\n",  getpid(), getppid());pid_t id = fork();if (id == 0){//子进程int cnt = 10;while(cnt){printf("我是子进程，我的pid: %d,ppid: %d, cnt: %d\n",getpid(), getppid(), cnt);sleep(2);cnt--;}}else {//父进程while(1){printf("我是父进程，我的pid: %d,ppid: %d\n", getpid(), getppid());}sleep(1);}return 0;
}

我们写一个代码，使用fork函数创建子进程，子进程执行几十秒就结束，父进程不退出。

我们执行该程序，并使用一个循环指令查看相关进程信息。发现父子进程都处于S状态。

当子进程执行完毕退出时，他的状态变量Z状态。其中Z状态指的是zombie，即僵尸状态。当一个程序退出，代码和数据都在内存都销毁了，还会剩下task_struct对象，等着父进程回收查看。

退出的子进程还剩下结构体对象，如果没有父进程接受管理，它会一直是僵尸状态，不断消耗内存，会造成内存泄漏！

2.5 孤儿进程

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main()
{printf("父进程运行，pid: %d,ppid: %d\n",  getpid(), getppid());pid_t id = fork();if (id == 0){//子进程while(1){printf("我是子进程，我的pid: %d,ppid: %d\n",getpid(), getppid());sleep(1);}}else {//父进程int cnt = 10;while(cnt > 0){printf("我是父进程，我的pid: %d,ppid: %d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt--);sleep(1);}sleep(1);}return 0;
}

我们写一份代码，父进程退出，子进程死循环不退出。