Linux操作系統之進程（二）：進程狀態

前言

一、補充知識點

1、并行與并發

2、時間片

3、等待的本質

4、掛起

二. 進程的基本狀態

三、代碼演示

1、R與S

?2、T

3、Z

?四、孤兒進程

總結：

前言

在操作系統中，進程是程序執行的基本單位。每個進程都有自己的狀態，這些狀態反映了進程在系統中的當前活動情況。理解進程狀態對于系統編程、性能調優和問題排查至關重要。今天，我們將深入探討Linux進程的各種狀態，并結合實際例子分析它們的行為。

一、補充知識點

在上文中我們介紹了進程的屬性與進程的創建（詳細查看上文鏈接），在了解我們本篇文章的主題——進程狀態之前，我們需要給大家先補充幾個知識點概念：

1、并行與并發

單核CPU執行進程代碼不是把進程代碼執行完畢才開始執行下一個，而是給每一個進程預分配一個時間片，基于時間片進行調度輪轉（單CPU下），這通常被稱為并發。

所謂并發，就是多個進程在一個CPU下采用的進程切換的方式，在一段時間之內讓多個進程都得以推進。

那么所謂并行呢？就是多個進程在多個CPU下分別同時進行運行，這稱之為并行。

CPU切換和運行的速度非常快，站在我們對應的這個CPU看來呢，當前這一個物理CPU它切換了多個進程，但是因為它切換和運行的速度非常快，所以用戶根本就感知不到，

所以這也就解釋為什么我們平時的死循環把不會程序卡死的原因，CPU會直接在操作系統的指導下，他會按照時間片來進行我們對應的輪轉和調度。

2、時間片

Linux /Windows民用級別的操作系統為分時操作系統。

就是我們整個操作系統它在幫你去執行任務時，是會給每一個任務給他分配上對應的一個時間片的，比如說是10毫秒或者是1毫秒。把時間片分好之后，每一個進程在CPU上去運行時，他把自己的時間片耗盡了，他就必須得從CPU上去剝離下來，剝離下來之后再把另一個任務再放上去。這就叫做分時操作系統。沒有優先級的誰高誰低，特點：調度任務追求公平，這保證了保證用戶操作的及時響應。

實時操作系統通常用于VxWorks、FreeRTOS、QNX（工業/嵌入式領域），主要特點是確定性調度，任務優先級嚴格分級，高優先級任務可搶占低優先級任務，支持硬實時（Hard Real-Time）和軟實時（Soft Real-Time）

硬實時：必須在絕對截止時間內完成（如航天控制系統）
軟實時：允許偶爾超時（如視頻流處理）

3、等待的本質

?等待的本質：當進程需要訪問外部設備（如鍵盤、磁盤、網絡）時，若設備未就緒，CPU 不會持續輪詢等待，而是將該進程移出運行隊列，掛入設備的等待隊列。

操作系統是怎么管理硬件的呢？也是：先描述，再組織

每個硬件設備（如鍵盤、磁盤）在內核中對應一個?struct device?結構體，包含：

struct device 
{unsigned int id;          // 設備唯一標識enum device_status status;// 設備狀態（就緒/忙碌/錯誤）struct list_head wait_queue; // 等待該設備的進程隊列// 其他驅動相關字段...
};

當進程需等待設備時，其 PCB 會被鏈入設備的?wait_queue（等待隊列），直至設備觸發中斷通知就緒。

?阻塞和運行本質上都是在等待。，只是一個在硬件的等待隊列中等待，一個在CPU的運行隊列中等待

當從鍵盤中輸入數據后，操作系統會得到信息，隨后又將該PCB連入運行隊列。

本質上就是把一個PCB一會放在運行隊列里，一會放在設備等待隊列里，來回的去調用。

4、掛起

內存不足時，操作系統將非活躍進程的代碼和數據換出到磁盤（Swap 分區），僅保留 PCB 在內存，這就叫做掛起。

特點是：用時間換空間：換入/換出操作增加延遲，但緩解內存壓力。

在掛起后，進程變為進程變為阻塞掛起狀態，掛起通常是在Swap分區里進行的。在云服務器中通常會禁掉Swap分區，這是為了防止頻繁的進行換入與換出操作導致性能驟降。

二. 進程的基本狀態

在Struct device中有一個status屬性，這個通常記錄了當前進程的狀態。

我們經常在一些教科書上看見以下圖片：

這樣的圖片肯定是無法讓大家清楚的明白什么是進程的狀態。?

在Linux中，進程的狀態通常可以通過?ps?或?top?命令查看，常見的有：

R（Running）：?并不意味著進程?定在運?中，它表明進程要么是在運?中要么在運?

隊列?。
S（Sleeping）：可中斷睡眠（意味著進程在等待事件完成，如I/O）。
D（Uninterruptible Sleep）：不可中斷睡眠（通常涉及硬件操作）。
T（Stopped）：進程被暫停，可以通過發送 SIGSTOP 信號（如?kill -19）給進程來停止（T）進程。這個被暫停的進程可以通過發送 SIGCONT 信號讓進程繼續運?。
Z（Zombie）：僵尸進程（已終止但未被父進程回收）。
X（Dead）：進程已完全終止（這個狀態只是?個返回狀態，你不會在任務列表?看到這個狀態。）。

此外，還有一些特殊狀態（以下并非全部）：

t（Tracing stop）：進程被調試器暫停（如?gdb?斷點）。
<（高優先級）?和?N（低優先級）：調度優先級相關。

我們通常可以在終端中輸入?ps ajx或ps aux來查看：

? a：顯示?個終端所有的進程，包括其他??的進程。

? x：顯示沒有控制終端的進程，例如后臺運?的守護進程。

? j：顯示進程歸屬的進程組ID、會話ID、父進程ID，以及與作業控制相關的信息

? u：以用戶為中心的格式顯示進程信息，提供進程的詳細信息，如用戶、CPU和內存使用情況等

三、代碼演示

我們用以下代碼與指令操作給大家演示一下進程各種狀態的查看：

1、R與S

在當前路徑中我們有以下文件：

code.cpp:

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

Makefile：

# 定義編譯器和編譯選項
CXX = g++
CXXFLAGS = -Wall -std=c++11# 定義目標文件和可執行文件名
TARGET = code
SRC = code.cpp# 默認目標
all: $(TARGET)# 直接生成可執行文件（不生成.o文件）
$(TARGET): $(SRC)$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $@ $<# 清理生成的文件
clean:rm -f $(TARGET)# 運行程序
run: $(TARGET)./$(TARGET).PHONY: all clean run

首先我們調用make生成可執行文件code（exe），隨后輸入

./code

運行code可執行文件：

隨后在另外一個終端中輸入

watch -n 1 '(ps ajx | head -n 1; ps ajx | grep -w "./code" | grep -v grep)'

?查看進程狀態：

?這里有兩個code進程，第一個進程是bash創建的進程組，用于管理我們在前臺運行的code程序，我們不用管它，通過pid 3825121我們可以知道第二個code就是我們運行的程序，可以看見，code的進程狀態（就是STAT這一欄），一直在R與S中變換（+號表示?前臺進程組，受終端控制，如Ctrl+C能終止它），這是為什么呢？

進程狀態切換是由?CPU時間片調度?和?I/O等待?共同作用的結果：

R+（Running）：進程正在CPU上執行，或位于運行隊列等待調度。
S+（Sleeping）：進程因等待I/O（如printf到終端）被移出運行隊列。

我們的code.cpp中有著printf這個函數，這會涉及到IO的相關操作，printf不是直接輸出到屏幕，而是寫入?標準輸出緩沖區，最終通過?終端設備（如/dev/pts/0）顯示。又因為終端I/O速度遠慢于CPU，因此每次printf都可能觸發進程阻塞（進入S狀態）。

R → S：當進程調用阻塞式I/O（如printf、scanf）。

S → R：當I/O操作完成（如終端準備好接收輸出）。

?2、T

依舊是原來幾個文件，我們繼續運行code：

我們在創建一個終端，輸入kill -19 +【對應進程PID】

?此時我們透過之前的查看進程狀態的終端可以發現，code進程已經變為了T狀態：

?若我們此時在輸入kill -18：

?又會發現：

程序又開始跑起來了，與之前不同的是，沒有了+號，這是因為被中斷后又繼續后，進程默認變為了后臺進程，此時在進程運行的終端上，輸入strl c是不會終止進程的，這個時候就只能通過kill -9來殺死進程：

3、Z

?在講僵尸狀態之前，我們先想一下，一個進程為什么會被創建出來呢？

一個進程會被創建出來是為了完成用戶的某個任務，那么操作系統怎么知道這個任務是否完成成功了呢？

我們以前寫代碼，比如做題，可以通過打印信息來了解，如果打印信息無關呢？

我們更改code.cpp代碼如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>// int main()
// {
//     int cnt=0;
//     while(1)
//     {
//         printf("hello world, cnt: %d,my pid : %d\n",cnt++ ,getpid());
//     }
//     return 0;
// }int main()
{int cnt=0;for(int i=0;i<10;i++){cnt++;}return 0;
}

code不再是一個無限循環代碼，重新輸入make生成可執行code文件并運行：

?可以看見，如果沒有打印信息，我們是無法知道任務完成成功了嗎？

請大家在終端上輸入：echo $?

?我們再把code.cpp中main函數的返回值設定為11呢？

return 11;

再運行:

我們發現，這次打印出的數又變成11了。細心的同學可能就有所猜測了。

沒錯，我們每個程序的main函數最后都會有一個return 返回值，當我們重新正常運行結束后，會執行return語句，這個返回的數，就會被父進程接受，告訴父進程，該進程執行任務是否成功。?

我們規定，返回0為執行任務成功，返回非0為失敗。

進程退出時：

1、代碼不會執行了，首先可以立即釋放的就是進程對應的程序信息數據

2、進程退出要有退出信息，保存在自己的task_struct內部

3、管理該進程的task_struct必須被OS維護起來，方便用戶未來進行獲取進程退出的信息

那么這個跟Z僵尸狀態有什么關聯呢？大家不要著急，我們把code.cpp更改如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>// int main()
// {
//     int cnt=0;
//     while(1)
//     {
//         printf("hello world, cnt: %d,my pid : %d\n",cnt++ ,getpid());
//     }
//     return 0;
// }// int main()
// {
//     int cnt=0;
//     for(int i=0;i<10;i++)
//     {
//         cnt++;
//     }
//     return 11;
// }int main()
{pid_t id =fork();if(id==0){//子進程int n=10;while(n--){printf("i am child, pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());sleep(1);}}else {//父進程while(1){   printf("i am parent, pid:%d\n",getpid());sleep(1);}}return 0;
}

?運行并輸入

watch -n 1 '(ps ajx | head -n 1; ps ajx | grep -w "code" | grep -v grep)'

查看狀態：

我們可以看見，在子進程未執行完畢時，二者都是出現S+或者R+的狀態，但是當我們子進程執行完畢后，可是父進程沒執行完畢，就會出現僵尸狀態：

僵尸狀態的進程：如果沒有人管我，我就會一直僵尸，task_struct會一直消耗內存→造成內存泄漏。

后面我們會講到：一般需要父進程讀取子進程信息，子進程才會自動退出。（調用waitpid），我們這里的代碼沒有調用waitpid，而是一直在循環，就不會去讀取子進程的退出信息，導致子進程一直處于僵尸狀態。

語言層面的內存泄漏的問題，如果在常駐的進程中出現，影響比較大：比如殺毒軟件。

?四、孤兒進程

剛剛的僵尸進程是子進程退出了，父進程還在。但如果是父進程死掉了，子進程還在呢？

更改code代碼如下：
?

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

我們在第三個終端（用來輸入其他指令kill時所使用的終端），輸入kill指令殺死父進程：