【Linux】进程状态和优先级

前言

本篇文章进行操作系统中进程状态的学习！！！

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1、进程状态

1.1、概念

凡是学进程，都要想到进程控制块（PCB） – task_struct

• 在学习OS中的进程状态时，书上的描述为了在Linux、Windows、Android中都能说的通，往往加深了理解的难度

• 我们可以先学习具体的Linux进程状态，然后再介绍然后再介绍OS学科的状态如何理解

• 操作系统是计算机中的一门“哲学”，要考虑很多情况

贴几张不同的进程状态图

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1.2、具体的进程状态

具体的进程状态可以分为四种：

1. 运行态：进程只要被加载到运行队列中

如何理解进程被加载到运行队列中？

• 运行队列也是一个对象，也可以通过描述再组织进行管理

• 运行队列的属性其中有PCB指针，可以通过队列的性质或复杂的数据结构进行管理

• 调度器的主要作用是在就绪队列中选择优先级最高的任务运行，如果优先级最高的任务不止一个，则选择队头的任务运行

• 当运行队列中的进程被调度时，CPU会执行该进程的代码

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2. 终止态：进程已经终止，但还存在，只是永远不运行了，随时等待被释放

进程都已经终止了，为什么不立刻释放资源，而要维护一个终止态呢？

• 因为释放进程的资源需要时间

• CPU不可能一直盯着这个进程，可能还会在做其他事情，所以要维护一个终止态

• 例子：比如你去吃饭，吃完后，叫老板结账，老板可能没回应你，他可能在给别人点餐

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3. 阻塞态：进程在等待某种资源时(非CPU资源)，资源没有就绪的时候，该进程会到对应的资源等待队列中进行排队，该进程的代码并没有运行，就叫做"阻塞态"

• 一个进程在被CPU执行的时候，用的不仅仅是CPU的资源

• 进程可能申请更多的资源，如：磁盘、网卡、显卡、显示器资源和声卡资源等等…

• 申请对应的资源无法满足时，是需要排队的，比如：CPU资源在运行队列中排队

• 申请其他慢设备的资源在对应的队列中进行排队

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4. 挂起态：当内存不足时，OS会将短期内不会被调度的进程的数据和代码挪动到磁盘中的swap分区，当内存足够时，会重新加载到内存中

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1.3、Linux进程状态

Linux内核源代码中的状态

/*
* 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 */
};

1.3.1、R运行状态（运行态）

1. R (running)运行状态：进程是在运行中或在运行队列中

• R状态一般是看不出来的，因为CPU的运算速度非常快，当你运行程序时，CPU就已经执行结束

• 比如在死循环中打印hello world，进程状态一般为"S"，因为CPU太快了

CPU一般在等待显示器资源就绪，所以状态一直为S

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

通过不断刷新ps指令来查看进程状态的变化：while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep ‘test’ | grep -v grep; sleep 2; echo “#############################################”; done

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可以通过不断的死循环来让CPU一直不断的工作，因为死循环没有访问外设资源

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

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1.3.2、S/D睡眠状态（阻塞态）

2. S (sleeping)睡眠状态：意味着进程在等待事件完成

• 这里的睡眠也叫做：可中断睡眠（浅睡眠），因为它可以通过指令进行中断

• 可以使用 kill 【-9】 【进程PID】进行中断

• 睡眠状态是：该进程申请的资源已经被其他进程使用，该进程在对应的“资源等待队列中进行等待，进程中的代码没有执行

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

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3. D磁盘休眠状态（Disk sleep）

• D状态也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束

• D状态不能通过指令进行中断，必须等它由D状态变成S状态时才能杀死

• 经过上图可以发现，如果堆磁盘进行读写时，发生中断，会导致严重的问题

• 所以才有了D状态，D状态就算是OS也不能对其进行释放

D状态不好模拟，但可以使用"dd指令"进行模拟

1.3.3、T/t停止状态

4. T停止状态（stopped）：

• 可以通过发送 SIGSTOP 信号或快捷键【ctrl+z】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

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << getpid() << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

可以通过kill 【-19】 【进程PID】将指定进程发生停止运行信号

kill 【-18】【进程PID】可以恢复重新运行

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还有一种t (tracing stop)状态：针对gdb调试的状态

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << getpid() << endl;
        sleep(2);
        
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson11]$ make
g++ test.cpp -o test -g

[lyh_sky@localhost lesson11]$ gdb test

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1.3.3、X死亡状态

5. 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

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1.3.4、Z(zombie)僵尸进程

概念：

注意：僵尸进程是不能被杀死的，因为已经是僵尸了，不能再死第二次！！！

• 当一个进程退出的时候，一般不会直接进入X状态(死亡，资源可以立马被会回收)，而是进入Z状态

• 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）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读取退出状态代码

• 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

• 进程被创建出来是因为用户有任务要交给它执行，当进程退出的时候，我们不知道这个进程完成的怎么样了，一般需要将进程的执行结果告知给父进程和OS

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模拟Z状态：创建子进程，子进程退出，父进程不退出(还在运行)，子进程退出之后的状态就是Z

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    pid_t id = fork();
    int cnt = 3;

    if (id == 0)
    {
        while (cnt)
        {
            cout << "我是子进程，我还有" << cnt-- << "秒时间结束" << endl;
            sleep(1);
        }
        cout << "进入僵尸状态" << endl;
        // 结束子进程，并且返回0
        exit(0);
    }
    else
    {
        while (1)
        {}
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

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僵尸进程危害：

• 如果没有人回收子进程的僵尸，该状态会一直被维！该进程的相关资源(task_struct)不会被释放

• 那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，就会造成内存资源的浪费！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量，是要在内存的某个位置进行开辟空间！

• 这样就会造成内存泄漏！！！

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2、孤儿进程

init进程：它是内核启动的第一个用户级进程

• 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”

• 孤儿进程被1号init进程领养，当然要有init进程回收喽

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    pid_t id = fork();
    int cnt = 3;

    if (id != 0)
    {
        while (cnt)
        {
            cout << "我是父进程，我还有" << cnt-- << "秒时间结束" << endl;
            sleep(1);
        }
        cout << "父进程退出" << endl;
        exit(0);
    }
    else
    {
        while (1)
        {}
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

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3、Linux进程优先级

3.1、优先级概念

进程优先级和权限的区别？

• 进程优先级是：进程获取外设资源的先后顺序问题

• 权限是：拥有者、所属组和other是否可以进行读写执行操作

• 它们的区别是：在学校中，我们去吃饭，食堂分教师和学生，我们不能去教师食堂打饭，这就是权限。我们打饭时，需要排队，排在前面可以先打到饭，后面的也一样可以打到饭，这就是优先级

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概念：

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）

• 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能

• 还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能

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为什么要存在进程优先级呢？？？

• 排队的本质就是确认进程的优先级

• 内存里面永远都是进程占大多数，而资源是少数（外设：磁盘、网卡、显卡…）

• 进程竞争资源是常态，OS要确认进程的先后循序，不然就乱套了

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3.2、Linux下进程优先级的操作

使用【ps -al】指令查看进程更多的属性（包含进程优先级）：

• top指令

• 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

• UID : 代表执行者的身份

• PID : 代表这个进程的代号

• PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号

• PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行

• NI ：代表这个进程的nice值

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3.3、PRI 和 NI

• PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高

• NI就是nice值，其表示进程可被执行的优先级的修正数值

• PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为： PRI(new) = PRI(old) + nice

• 当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行

• 调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值

• nice其取值范围是-20至19，一共40个级别，调整NI时，会重新变成初始值80，然后+NI值

例如PRI：70 NI：-10，把NI更改成10时，PRI = 80 + 10 = 90

在root用户下，使用top指令修改进程优先级：

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        cout << "我的pid是: " << getpid() << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

进入top指令后输入r，然后回车，然后输入需要修改进程优先级的pid

输入pid后回车，接着输入NI值，就能修改进程优先级了

3.4、PRI vs NI

• 需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化

• 可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据

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4、其他概念

1. 竞争性：系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级

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2. 独立性：多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰

• 比如：我们在下载东西时，同时打开浏览器进行浏览，当浏览器挂掉了，是不会影响下载的，反之下载挂掉了，也不会影响浏览器

• 进程具有独立性，不会因为一个进程挂断或者出现异常，而导致其他进程出现问题

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3. 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

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

操作系统，就是简单的根据队列来进行先后调度的吗？有没有可能突然来了一个优先级更高的进程？

• 操作系统中有二种内核，分为“抢占式内核”和“非抢占式内核”

• 当正在运行的低优先级进程，如果来了一个优先级更高的进程，调度器会直接把正在执行的进程从CPU上剥离，放上优先级更高的进程，这就是“进程抢占”（抢占式内核）

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5. 进程上下文：进程在运行中产生的各种寄存器数据，就叫做进程的硬件上下文数据

• 当进程被剥离：需要保存上下文数据

• 当进程恢复的时候：需要将曾经保存的 上下文数据恢复到寄存器中