《Linux从练气到飞升》No.13 Linux进程状态

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前言

前面我们讲述了进程的基本概念以及如何描述、组织、查看进程，如何使用fork函数创建子进程等内容，本篇将讲述进程的各种状态。

先看看Linux内核源代码怎么说

下面的状态在kernel源代码里的定义：

/*
* 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 */
};

认识进程状态

在我们讲述Linux内核中的进程状态之前，我们先在看一下网上是怎么个样子。

如下：

我们依次来解释一下它的含义

新建

新建：字面意思，就是创建以后还没有进入运行队列（如fork后）

阻塞

阻塞：我们都知道进程的代码数据在内存中，但是系统还有其他资源，如网卡、磁盘等…所以系统不止有一种队列，不同的队列速度不同，所以就会有时间差，阻塞状态就是CPU等待非CPU资源就绪的状态。

我们来验证一下：
比如有下面代码：

#include
int main()
{
	int a = 0;
	scanf("%d",&a);
	return 0;
}

这个等待输入的状态就是阻塞状态

运行

比如之前讲的task_struct结构在队列中排队就叫做运行态

挂起

和阻塞有点类似，但是它的区别是挂起状态会将进程的代码和数据换出到磁盘上，而阻塞时的进程代码数据仍在内存。

终止

它是X和Z两种状态的综合体，具体之后再讲~

进程状态查看命令

ps aux / ps axj 命令

Linux内核中的进程状态

R

R即表示运行态，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。

测试代码：

#include 
#include 
#include 
int main() {
    while(1)
    {

    }
    return 0;
}

运行结果：

S

阻塞态，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））。

我们都知道进程的代码数据在内存中，但是系统还有其他资源，如网卡、磁盘等…所以系统不止有一种队列，不同的队列速度不同，所以就会有时间差，阻塞状态就是CPU等待非CPU资源就绪的状态。

如下图：

这并不是真的S状态，为什么这么讲？因为你访问了外设，一旦访问外设的话，这个外设不一定说是立马给你准备好，即便是给你准备好了，其实你也要有一个让他那么获取你数据的过程。然后其实外设就比较慢，要等的话，其中你的进程状态大部分都是 s，所以你看到当前，它的状态就是 s 状态。

D

磁盘休眠状态（Disk sleep）有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），它不可被中断、不可被动唤醒，在这个状态的进程通常会等待IO的结束。

S与D的区别：

• 它们都是睡眠状态，几乎等价，但是S是可中断的，D不可中断。

那么D的意义是什么？
在操作系统中，当内存不足时，会自动杀死一些不用的进程，但是有些进程一旦终止，便可能造成数据丢失，操作系统就需要知道哪些不能被自动杀死，于是在S的基础上就有了D状态。

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。

要注意和阻塞态的区别，它不用等待资源，比如打断点时。

测试断点：


上图中的 t 就是暂停状态。

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，它的作用是供给操作系统回收的，因为操作系统不会每时每刻都回收，而是过一段时间回收一次来提高效率。

到现在为止，我们对进程的概念停留在两个方面：

一、必须把自己的可执行程序和代码加载到内存中。

二、操作系统为了管理众多进程，它必须给每个进程都创建对应的PCB。

接下来我们来讲解两种特殊的进程，僵尸进程和孤儿进程。

Z

僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程（使用wait()系统调用,后面讲）没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程

僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程或者操作系统来进行回收。

只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态

我们可以这样理解它，僵尸进程可理解为他们的代码和数据已经被释放掉，但PCB没有释放。

eg:假如有一个恶意程序。运行后就是让子进程退出，但父进程不回收他这样就会导致僵尸问题，让操作系统速度卡顿

验证代码：

#include 
#include 
int main()
{
    pid_t pid=fork();
    if(pid<0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(pid==0)
    {
        while(1)
        {
            printf("I am child,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(3);
            break;
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        while(1)
        {
            printf("I am father,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    printf("you can see me!\n");

    return 0;
}

运行结果：

查看状态：

图中的Z就是僵尸状态，子进程已退出，但父进程还在运行，处于等待回收的被检测状态。

R+/S+/T+中的+是什么意思？

• 带 + 为前台任务，一旦开始，就会占用bash对话框执行命令就没有任何效果了，而且可以被Ctrl + c 终止。
• 如果要让它在后台运行，则使用./mycode & [任务号] pid，此时bash就看不到它的运行了，变成了R状态，终止命令：kill -9 pid,暂停命令：kill -19 pid，继续命令：kill -18 pid

僵尸进程危害

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语言中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！

是否会内存泄漏?是的！比如。 C语言写的程序中malloc后的资源不回收，此时导致的僵尸问题就是内存泄漏。

孤儿进程

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”

我们知道子进程一般由父进程回收，但是如果是上面这种情况，孤儿进程会被1号init进程领养，当然要由init进程回收喽。

为什么要被领养？

当子进程退出时，父进程已不在，需要由领养进程来进行回收。

验证一下：

#include
#include 
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id==0)
	{
		//child
		while(1){}
	}
	else
	{
		int cnt=5;
		while(cnt)
		{
			cnt--;
			sleep(1);
		}
	}
	return 0;
}

ps axj | head -1 && ps ajx | grep mycode

ps axj | head -1 && ps ajx | grep 2194

在一些较新的Linux发行版中，引入了--user选项，该选项会创建一个用户级的systemd实例，用于管理用户级别的服务和进程。

这个用户级的systemd实例的进程ID可能会出现在其他进程的PPID字段中，包括孤儿进程。

虽然孤儿进程的父进程通常是1号进程，但在这种情况下，用户级systemd实例的主进程可能会被记录为孤儿进程的父进程。

后记

本篇从操作系统常见的进程状态来引入到Linux内核中的进程状态，他们中的状态有所不同，但是其内核是一样的。比如R表示运行态、S表示阻塞态、D表示磁盘休眠态、 T表示暂停状态、X表示死亡状、 G表示相似状态、他们组合起来，分别对应的阻塞、运行、挂起、终止这些状态。我们还讲述了在我们查看进程状态时看到的加号是什么意思？以及讲述了两种特殊的进程状态，僵尸进程和孤儿进程。