實戰Linux進程狀態觀察：R、S、D、T、Z狀態詳解與實驗模擬

前言

????????在Linux系統中，進程狀態是系統管理和性能調優的核心知識。一個進程從誕生到終止，會經歷運行（R）、可中斷睡眠（S）、不可中斷睡眠（D）、停止（T）、僵尸（Z）等多種狀態。理解這些狀態的含義、觸發條件及觀察方法，是診斷進程掛起、資源泄漏等問題的關鍵。

目錄

一、進程狀態觀察詳解

1、運行狀態（R - Running/TASK_RUNNING）

示例觀察方法

1. 創建測試程序

2. 運行程序并觀察狀態

方法一：使用top命令

方法二：使用ps命令

2、可中斷睡眠（S - Interruptible Sleep/TASK_INTERRUPTIBLE）

3、不可中斷睡眠（D - Uninterruptible Sleep/TASK_UNINTERRUPTIBLE）

方法一：模擬磁盤I/O導致的D狀態

1. 創建測試腳本

2. 準備觀察環境

第一步：查看可用設備

第二步：創建掛載點目錄

第三步：執行掛載一個慢速存儲設備

第四步：驗證掛載

第五步：給腳本執行權限：

第六步：運行并觀察

4、停止狀態（T - Stopped/TASK_STOPPED）

5、跟蹤狀態（T - Tracing Stop）

1. 創建進程并進入跟蹤狀態

2. 使用調試器附加到進程

3. 觀察進程狀態

4. 狀態變化示例

5. 其他產生T狀態的場景（了解，不要求掌握）

6. 如何解除T狀態

6、僵尸狀態（Z - Zombie/EXIT_ZOMBIE）?

1. 創建僵尸進程的C程序

2. 編譯并運行程序

3. 觀察進程狀態

4. 預期觀察到的現象

5. 清理僵尸進程（后面會講解，現在先了解）

6. 僵尸進程的特點

7. 僵尸進程的危害

7、死亡狀態（X - Dead/EXIT_DEAD）

理解死亡狀態的特點

二、常見問題

三、總結

一、進程狀態觀察詳解

1、運行狀態（R - Running/TASK_RUNNING）

????????進程處于運行狀態（running）并不等同于正在執行。運行狀態意味著該進程要么正在CPU上運行，要么處于運行隊列中等待執行。因此，系統中可以同時存在多個R狀態的進程。

重點：

  • 所有可調度的運行狀態進程都會被放入運行隊列
  • 操作系統進行進程切換時，直接從運行隊列中選擇下一個要執行的進程
  • 單核CPU上同一時刻只有一個進程真正在CPU上運行

  • 其他R狀態的進程都在運行隊列中等待

  • 多核CPU上可以有多個進程同時處于"正在運行"狀態

示例觀察方法

1. 創建測試程序

創建一個簡單的CPU密集型程序來觀察R狀態：

// cpu_busy.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {printf("PID: %d\n", getpid());while(1) {// 空循環保持CPU占用}return 0;
}

編譯：

gcc cpu_busy.c -o cpu_busy

2. 運行程序并觀察狀態

方法一：使用top命令

  1. 在當前終端窗口運行程序：

    ./cpu_busy

  2. 在另一個終端窗口運行top：

top

在top界面中，按Shift + P按CPU使用排序、觀察STAT列，會顯示R狀態：

方法二：使用ps命令
ps aux | grep cpu_busy

輸出示例：

其中R+表示：

  • R：運行狀態

  • +：在前臺進程組中

2、可中斷睡眠（S - Interruptible Sleep/TASK_INTERRUPTIBLE）

????????一個進程處于淺度睡眠狀態（sleeping）表示它正在等待某個事件的完成。處于這種狀態的進程可以被隨時喚醒或終止（這種狀態也被稱為可中斷睡眠，即interruptible sleep）。

例如運行以下代碼：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{printf("I am running... \n");sleep(100);return 0;
}

編譯并運行：?

????????在代碼中調用sleep函數休眠100秒期間，若用其他用戶查看進程狀態，會發現進程處于淺度睡眠狀態：

處于淺度睡眠狀態的進程可以被終止，使用kill命令即可強制結束該進程：

3、不可中斷睡眠（D - Uninterruptible Sleep/TASK_UNINTERRUPTIBLE）

????????當進程處于深度睡眠狀態（Disk Sleep）時，系統無法終止該進程，只能等待其自行喚醒。這種狀態也被稱為不可中斷睡眠狀態（Uninterruptible Sleep），通常發生在進程等待I/O操作完成時。

????????以磁盤寫入為例：當進程發起寫盤請求后，會進入深度睡眠狀態等待磁盤響應（如寫入成功/失敗的通知）。在此狀態下，即使系統也無法終止該進程，必須等待I/O操作完成。（又稱磁盤休眠狀態）

方法一：模擬磁盤I/O導致的D狀態

1. 創建測試腳本

創建一個會觸發磁盤I/O的腳本：

#!/bin/bash
# 保存為 disk_io_test.shecho "PID: $$"
echo "將模擬磁盤I/O操作..."# 向慢速設備(如U盤/NFS)寫入大量數據
dd if=/dev/zero of=/mnt/nfs/testfile bs=1M count=1024 2>/dev/nullecho "I/O操作完成"

2. 準備觀察環境

第一步：查看可用設備

lsblk  # 查看所有存儲設備

輸出示例：

????????根據lsblk?的輸出，可以看到我的系統只有一個虛擬磁盤設備（vda），沒有檢測到其他存儲設備。這是典型云服務器或虛擬機的配置。

  1. vda：虛擬磁盤（40GB）

  2. vda1：第一個分區（已掛載到根目錄?/）

第二步：創建掛載點目錄

sudo mkdir /mnt/mydisk  # 創建一個新目錄作為掛載點

第三步：執行掛載一個慢速存儲設備

sudo mount /dev/vda1 /mnt/mydisk

第四步：驗證掛載

df -h  # 查看已掛載的文件系統

或

ls /mnt/mydisk  # 查看掛載的設備內容

第五步：給腳本執行權限：

chmod +x disk_io_test.sh

第六步：運行并觀察

  1. 在一個終端運行腳本：

    ./disk_io_test.sh

  2. 在另一個終端觀察進程狀態：

    watch -n 0.5 'ps aux | grep disk_io_test | grep -v grep'

????????命令剛啟動時的狀態，可能還未進入深度睡眠(D狀態)，而如果進入深度睡眠(D狀態)，會輸出示例，必須要有產生足夠的 I/O 壓力，才會實現（我模擬不了，大概看一下就行）：

user  12345  0.0  0.0  12345  678 pts/1    D+   14:30   0:05 /bin/bash ./disk_io_test.sh

其中D+表示：

  • D：深度睡眠狀態(不可中斷)

  • +：前臺進程組

4、停止狀態（T - Stopped/TASK_STOPPED）

????????Linux系統可通過發送SIGSTOP信號將進程掛起為暫停狀態（Stopped），發送SIGCONT信號則可恢復被暫停的進程運行。

例如：

向某進程發送SIGSTOP信號后，該進程立即進入暫停狀態：

直到收到SIGCONT信號才會繼續執行：

5、跟蹤狀態（T - Tracing Stop）

1. 創建進程并進入跟蹤狀態

首先，我們需要創建一個可以被跟蹤的進程：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {printf("子進程PID: %d\n", getpid());while(1) {// 無限循環保持進程運行sleep(1);}return 0;
}

編譯并運行這個程序，記下它的PID：

2. 使用調試器附加到進程

在另一個終端中，使用gdb附加到該進程：

sudo gdb -p <PID>

使用第三個終端觀察，此時，被調試的進程會進入T (Tracing Stop)狀態：

3. 觀察進程狀態

在第三個終端中，查看進程狀態：

ps -o pid,state,cmd -p <PID>

輸出可能類似于：

4. 狀態變化示例

  • 初始狀態：進程正常運行，狀態為"S"（睡眠）

  • 附加調試器后：狀態變為"T"（被跟蹤）

  • 繼續執行：在gdb中輸入"continue"，狀態可能變回"S"

  • 斷點命中：當遇到斷點時，狀態再次變為"T"

5. 其他產生T狀態的場景（了解，不要求掌握）

  1. 使用strace跟蹤系統調用：

    strace -p <PID>

  2. 使用ptrace系統調用：Ptrace 詳解 - tangr206 - 博客園

    // 跟蹤進程的示例代碼
ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL);

  3. 接收到SIGSTOP信號：

    kill -SIGSTOP <PID>

6. 如何解除T狀態

  • 在gdb中：使用detach命令或退出gdb

  • 對于strace：按Ctrl+C終止strace

  • 對于SIGSTOP：發送SIGCONT信號

    kill -SIGCONT <PID>

6、僵尸狀態（Z - Zombie/EXIT_ZOMBIE）?

1. 創建僵尸進程的C程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {int cnt=60;while(cnt--){// 子進程printf("子進程 PID: %d 開始運行\n", getpid());sleep(2);  // 模擬子進程工作printf("子進程 PID: %d 即將退出\n", getpid());}exit(0);   // 子進程退出} else if (pid > 0) {// 父進程printf("父進程 PID: %d 創建了子進程 %d\n", getpid(), pid);printf("父進程將不調用wait()，故意制造僵尸進程\n");// 父進程不調用wait()，繼續運行while(1) {sleep(1);printf("父進程仍在運行...\n");}} else {perror("fork失敗");exit(1);}return 0;
}

2. 編譯并運行程序

gcc -o zombie zombie.c
./zombie

3. 觀察進程狀態

重新運行，然后在另一個終端窗口中，使用以下命令觀察進程狀態變化：

watch -n 1 'ps -eo pid,ppid,state,cmd | grep -E "PID|zombie"'

4. 預期觀察到的現象

  1. 初始階段：父子進程都處于運行狀態（S）

  2. 子進程退出后：

    • 子進程狀態變為Z（僵尸）

    • 父進程仍在運行

  3. 最終狀態：

5. 清理僵尸進程（后面會講解，現在先了解）

要清理僵尸進程，可以：

  1. 終止父進程：

    kill -9 <父進程PID>

  2. 或者修改程序讓父進程調用wait()：

    // 在父進程代碼中添加
wait(NULL);  // 回收子進程

6. 僵尸進程的特點

  • 出現在進程表中，占用一個PID

  • 已釋放大部分資源，僅保留退出狀態等信息

  • PPID為創建它的父進程

  • 命令顯示為[進程名] <defunct>

  • 只能通過終止父進程或讓父進程調用wait()來清除

7. 僵尸進程的危害

  • 僵尸進程的退出狀態必須一直維持下去，因為它要告訴其父進程相應的退出信息。可是父進程一直不讀取，那么子進程也就一直處于僵尸狀態。
  • 僵尸進程的退出信息被保存在task_struct(PCB)中，僵尸狀態一直不退出，那么PCB就一直需要進行維護。
  • 若是一個父進程創建了很多子進程，但都不進行回收，那么就會造成資源浪費，因為數據結構對象本身就要占用內存。
  • 僵尸進程申請的資源無法進行回收，那么僵尸進程越多，實際可用的資源就越少，也就是說，僵尸進程會導致內存泄漏。

7、死亡狀態（X - Dead/EXIT_DEAD）

????????死亡狀態（X）是進程的最終狀態，表示進程已經完全終止且其資源已被系統回收。由于這個狀態持續時間極短（幾乎是瞬時的），直接觀察非常困難。

理解死亡狀態的特點

  • 瞬時性：X狀態是進程從退出到完全消失之間的瞬時狀態

  • 不可見性：通常無法通過ps等工具直接觀察到

  • 前驅狀態：進程通常從Z（僵尸）狀態轉為X狀態

二、常見問題

  1. 僵尸進程積累：

    • 原因：父進程未正確處理子進程退出。

    • 解決：找到父進程ID（PPID）并重啟或發送SIGCHLD信號。

  2. 不可中斷進程卡住：

    • 可能原因：硬件故障（如磁盤壞塊）、內核Bug。

    • 排查：dmesg查看內核日志，檢查硬件健康。

  3. 高負載下RUNNING進程過多：使用vmstat 1或mpstat -P ALL 1分析CPU競爭。

  4. S和D狀態的區別：S可被信號中斷，D必須等待事件完成（即使發送kill -9無效）。

  5. 為什么進程長時間處于D狀態？

  • 可能原因：硬件故障（如磁盤損壞）、內核驅動Bug。

  • 解決方案：檢查dmesg日志，修復硬件或更新驅動。

三、總結

  • 理解進程狀態是系統調優和故障排查的基礎。

  • R/S/D是常見狀態，Z需及時處理，T常用于調試。

  • 結合ps、top、/proc等工具實時監控狀態變化。

????????掌握這些狀態及其轉換機制，能有效診斷進程掛起、資源泄漏等問題。實際應用中需結合日志和性能工具（如strace、perf）深入分析。

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