进程的状态

  进程的状态是多种多样的，所以单独一篇博客来说明，本文有些新概念都在先前的博客中提及，在此不再展开论述。

一 操作系统中的状态介绍

 1 运行状态

        当调度器找到进程的pcb数据结构，可能就把地址传给了cpu，cpu通过pcb数据结构找到代码和数据去执行，这么看起来好像是要把一个进程的代码执行完毕才能到下一个进程，可是事实上如果我在电脑打着游戏，挂着聊天软件，好像打游戏的同时还能接受短信，奇怪，难道多个进程在同时跑?  不卖关子了，这就得重新提一个概念，时间片了，一个进程占用cpu资源的时间是由时间片决定的，当时间片归零了，就到下一个进程了，这个时间片可能是毫秒级别的，所以在一秒，这个进程可能已经被轮转十几次了，但是时间片如何耗尽，难道是个整型自己--，整型--例如10毫秒--，也算一个运算，这个运算被减为零的时间如何保证是十毫秒呢，这个点我也不好解释，反正和接来下的知识无关，这个进程在被停止执行到下次执行也还是毫秒级别，我们几乎感觉不到，所以看起来像是在同时执行，其实是分别执行，再次回顾一个概念，这种一秒内多个进程都在跑的称之为并发。

        内存分为用户使用的和操作系统内核使用的两部分，上述的数据结构应该存在内核数据区，而代码和数据都在用户区，这个用户区分为堆栈，代码区，但是运行队列里是有许多进程的，所以当内存充足的时候，每个进程应该都把自己的数据和代码分别存在各个区之中，那cpu上有进程的什么数据呢，首先我们知道cpu上有许多寄存器，总存储不大，存的都是cpu高频访问的数据，而从先前的讲解中我们还知道cpu执行的进程的时候会把进程的从cpu拿下，放上的操作，这个操作叫进程切换，切换的时候一般不会把数据和代码写到磁盘中去，而是把cpu上的数据打包带走，这个数据称之为上下文数据，例如下一条代码的地址，所以放在离cpu最近的寄存器中，方便使用。 

2 阻塞状态

        例如当我们执行到了scanf语句，就会需要键盘输入资源，这个时候这个程序状态就不能是运行状态，可能当前进程就被设成了阻塞状态，谁设置的呢，可能是cpu吧，然后操作系统识别到你的状态不是运行状态，就把你从cpu的运行队列中拿下来了，因为后面的代码还不能执行，此时你的状态就不能是运行态，那是什么呢，我们称这种在等待特殊设备的软硬件资源的状态为阻塞状态。那去哪等呢，这又得回到操作系统了，我们知道软硬件资源是被系统管理起来的，当进程想要从硬件要数据，还得经过操作系统，而在操作系统内有着描述这些硬件的数据结构，操作系统通过管理这些数据结构来管理硬件，所以只要把进程的pcb数据结构和对应硬件的数据结构相连，如下图。

        pcb结构体和设备结构体的wait指针相连，这样只要操作系统通过dev发现键盘已经准备好了资源，就通过指针把数据写给进程。

 3 挂起状态

        先前提及了阻塞状态，但是系统中可能存着许多的进程都在阻塞状态，这个时候他们的代码和数据都在占用内存，如果此时内存资源紧张，那操作系统就会把等待的进程的代码和数据移到磁盘，此时进程就是一种挂起状态，这种挂起状态用户是无法感知的，就像你把钱存进银行，银行是不会告诉你，你的钱被借出去了，银行说你别管，反正你要用的时候我就帮你弄回来，你管我现在怎么处理你的代码和数据，反正你也不用，还不如给急用内存的进程，这样转辗腾挪之间可以高效地使用内存。

        为什么要有状态呢，或许是不同的状态，操作系统就要把它连入不同的数据结构中，起到对其管理的作用。运行态就到cpu的运行队列，阻塞状态就可能在硬件数据结构的等待队列中。运行态，阻塞态操作系统没有具体定义，貌似在多种场景的等待都是阻塞状态，而对应实际的场景，为了区分不同的等待，所以有了新的状态定义，可能大佬一开始不想分的太细，就交给写系统的人自由发挥。

二 linux下的状态介绍

1 运行态R状态

        就和先前提过运行状态一致，只要在运行队列上，那就是R状态。

但是我们几乎很难看到程序的运行状态。

#include
int main()
{
    printf("begin\n");
    while(1);
    return 0;
}

while循环ps aj打印状态栏，诶，不难啊，这不是R起来了吗，还附赠一个加号(+后提)。

如果换成下面的代码。

#include
int main()
{
    printf("begin\n");
    while(1)
       printf("我是进程");
    return 0;
}

        诶，怎么是S呢?刚刚还在跑的啊?我的R状态呢? 其实原理不难，当时了解后我也恍然大悟，原来如此，首先我们就这么几行代码, 对于cpu来说处理速度是很快的，但是这个过程中我要printf，向外设要资源要从运行队列中拿下来，链入到硬件结构体的wait队列，进入阻塞状态，那向外设写数据等返回结果应该也是一种阻塞状态，而写数据到外设的速度比我们执行代码速度慢了太多，也就是说我们的这个程序起来的进程大多时候都在把数据写给外设，只有少部分时间是在cpu的运行队列，所以我们ps aj查进程状态的时候是很难捕捉到的。ps aj 查进程状态，自己肯定在跑了，自己查自己当然是R。

2 S状态(浅度休眠状态)

       当我们执行了scanf代码，我们发现此时进程就是在s状态，说明linux的S状态就是一种阻塞状态，因为此时进程就是在等硬件资源，那这个时候进程按照上文理解就是在硬件结构的等待队列中。

3 D状态(深度睡眠)

        S状态还可以接收外部的信号，例如kill，而D状态则是不会理会外部的任何信号，因为我们先前说休眠是在等软硬件资源，例如在IO的时候，需要数据，或者写入数据到磁盘，返回写入结果，等数据和写数据的时候，进程都是在等，在休眠，但是当内存资源紧张的时候，操作系统不仅会通过挂起来节约内存，甚至还会杀进程，这个时候如果在等IO结果的进程被干掉，此时磁盘读写又失败了，磁盘也不知道把数据返回给谁，那这数据咋办呢，一般是直接丢了，那你和女神的聊天记录在服务器的保存就没了。

4 T状态

        stop状态，什么时候会出现这种状态呢?不知道大家有没有想起gdb调试，gdb+可执行程序名即可开始调试,break+行号设置断点，当跑起来的时候触发断点，此时程序处于t状态，T和t暂时无法区分。

        stop还表示等待，为什么还要有sleep? 按照状态是为了区分不同场景下的进程这一点来看，一定是sleep状态不适合用于某些等待场景，所以增加了stop，就像向磁盘写入数据时是用深度睡眠D而不是sleep一样。

5 Z状态

        说到Z状态就得提到僵尸进程，我们前面说过父子进程，如果子进程退出了，父进程是要对子进程的返回结果进行读取，并且释放资源。如果父进程迟迟没有来读取数据，那这个时候子进程就还不能被清理， 也没有代码要执行，也不是等待某种数据的阻塞状态，就是静静等父进程回收自己，所以就有了一种特殊的状态。

    #include
  5 int main()
  6 {
  7    printf("begin\n");
 13    int ret = fork();
 14    if(ret==0)
 15    {
 16        int cnt = 5;
 17         while(cnt)
 18         {
 19             printf("我是子进程\n");
 20             cnt--;
 21             sleep(1);
 22         }                                                                            
 23    }
 24    else
 25    {
 26        while(1)
 27        {
 28            printf("我是父进程\n");
 29            sleep(1);
           }
       }
       return 0;
    }

结果如下图。

        那如果父进程先退出了，子进程此时直接没有父进程了，那怎么办。

    #include
  5 int main()
  6 {
  7    printf("begin\n");
 13    int ret = fork();
 14    if(ret==0)
 15    {
 16        
 17         while(1)
 18         {
 19             printf("我是子进程\n");
 20             sleep(1);
 21         }                                                                            
 22    }
 23    else
 24    {
           int cnt = 5;
 25        while(cnt)
 26        {               
 27            printf("我是父进程\n");
 28            sleep(1);
               cnt--;
           }
       }
       return 0;
    }

        这个时候我们从下面代码执行结果可以看见，子进程的父亲变了，变成操作系统了，那为什么不是bash呢，许多资料说bash无法回收孙子进程，可是这一点我还不好理解，或许等之后我自己写回收子进程的代码时，能体会的更深刻，

  而且此时的状态变成S了，S表示后台程序，S+表示前台程序，当状态为S时，此时bash命令行可以输指令，但ctrl+c都结束不了进程，只能在另一个窗口用kill  -9+进程pid的方式才能结束进程(shell的另外一些使用小技巧，我打算后面实现shell的时候一起介绍)    

         那操作系统是如何释放内存的呢?是一种内核方式，我们后面会提到一种东西叫页表，每个进程的页表记录着使用的内存，如果我直接干掉页表，我就能让你使用的内存给其他人用。

6 X状态

  这个不好复现，一般设为x很快进程就没了。

三 优先级

1 优先级的意义

        我们知道cpu的资源时有限的，而进程是可以有多个的，这意味多个进程都要用到cpu的资源，cpu一次只能为一个进程提供服务(具体原因我也不好解释)，多个进程要用cpu就必然存在竞争关系，所以要给进程分个优先级，来告诉操作系统谁先执行，谁后执行。

  先来看看进程都有哪些状态参数。

uid:表示用户名

pid:进程代号

ppid:父进程代号

        PRI和NI就是接下来的重点，默认从80开始，PRI越小，优先级越高。而NI是nice值，是用于调整优先级，因为linux是允许进程抢先的，就是通过调整优先级让这个进程更早被执行，nice的范围是-20到19，而PRI每次从80开始，所以进程真正的优先级PRI+NI范围是60-99。

 2 如何按照优先级调度      

        先前说进程的R状态表示在运行队列，调度器遍历运行队列拿进程让cpu执行代码，可是我们好像忽略一点，那就是如何保证优先级高的进程先被调度? 我记得pcb对象内是存了优先级的，难道我是一个个扫描pcb数据结构，然后排序，再访问？那新来了个进程，又要排序?来看看优雅的Linux是如何实现的吧。

        

        系统中所有的优先级有140种，而我们写的程序进程优先级一般也就是60-99，只能放对应数组的60-99的下标处，此时调度器只要从上往下遍历这个数组就可以了，这样就能保证优先级高的进程先执行。

        至于为什么会有个镜像的wait队列呢，你想想如果调度器从0遍历到100，来了个优先级是80，难道这个这个时候要放到上面那个run指针指向的数组吗，这难道是想让调度器每次找进程都要从头开始找吗，这是非常低效的，所以一般都放到wait指向的数组内，这个数组还放着那些时间片耗尽的进程，如果这些高优先级的进程重新放到run数组可能会一直被调用，其它普通进程将享受不到cpu资源。当run数组没有进程了，就用那个二级指针直接swap即可。

 3 大O(1)的调度算法       

        至于如何判断run数组内没有进程了，一种就是从头遍历到尾部了，到140位置说明进程都执行完了，但是这还不够高效。假如，只有140处有进程，那我前面的遍历不是很浪费时间，如何快速判断数组内有没有进程我们可以用位图，一个二进制位只能表示0和1，我们用0表示不在，1表示在，一个整型有32个二进制位，那五个整型就能表示140个下标下是否有进程(int arr[5]即可)，那我怎么知道这个二进制位表示的是哪个优先级呢，我举个例子，例如优先级43,int posi=43/32, 结果为1，就说明43是在a[1]这个整型中，43%32说明是整型的哪个比特位，只要把该位置置为1表示在即可。