由浅入深的了解进程(3)

进程状态

每一个进程都拥有自己的代码和数据，同时也具备自己的状态。

1、Linux中的进程状态

Linux系统中，进程状态是通过struct task_struct结构体中的各种属性和变量来表示的。在Linux内核的源代码中，进程状态的定义如下：

/* * 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 */ };

其中，task_struct结构体用数组形式表示进程的各种状态。

1、1、进程状态R+和S+的执行代码源码

以下是一个示例代码：

#include<stdio.h> #include<unistd.h> #include<sys> int main() {   while(1)   {     printf("I am a process,pid:%d\n",getpid());                                                  }  return 0; }</sys></unistd.h></stdio.h>

当我们运行一个可执行程序时，可能会发现进程状态显示为S。这与我们理解的S状态（休眠）似乎有所不同。让我们尝试另一个代码：

#include<stdio.h> #include<unistd.h> #include<sys> int main() {   while(1)   {     //printf("I am a process,pid:%d\n",getpid());                                                  }  return 0; }</sys></unistd.h></stdio.h>

奇怪的是，为什么这次运行显示的状态是R呢？首先，R状态表示进程正在运行，而S状态表示进程处于休眠状态。添加printf语句后，为什么进程状态变成了S呢？这是因为printf会将信息打印到屏幕上。根据冯诺依曼体系结构，屏幕作为外设是硬件，CPU处理完信息后需要先存储在内存中。由于CPU的速度远快于屏幕，进程在等待屏幕输出结束时会进入S状态。因此，我们在查看状态时，大多数情况下会看到S状态而不是R状态。如果不需要通过外设，直接查询的状态通常会是R状态。这也说明了外设与CPU速度的巨大差距。因此，S+状态更准确的描述应该是：进程在等待“资源”就绪。此外，这种状态也能够随时中断睡眠。

实际上，如果我们使用以下命令：

./testStatus &:如果这样操作的话，进程就会在后端运行，此时S状态而不是S+状态了

其中的“+”表示在前台运行，如果有此符号，则说明进程在前台运行；如果没有，则说明在后台运行。

1、2、进程状态T/t

为了观察进程是否能进入T状态，我们可以使用kill命令。kill中的19号信号是signal stop，表示暂停进程。

此时，进程被暂停，等待进一步唤醒。18号信号SIGCONT，表示信号继续。发送此信号后，进程将恢复运行。

kill -9/-19/-18分别表示杀掉进程、暂停进程和继续进程。进程暂停在实际开发中很常见，尤其是在调试代码时使用断点。

在未开始运行时，只存在gdb的S状态。当我们设置断点并运行时，gdb的状态从S变为R，而程序本身的状态也从无变为t。这是因为程序遇到断点时需要暂停。

1、3、进程状态D

Linux系统特有的状态。源码中，D代表disk sleep。如果进程中的内存严重不足，Linux操作系统有权杀掉进程来释放空间。如果需要将一个非常重要的1GB资源存储到硬盘上，由于硬件速度远低于CPU处理速度，内存中的1GB数据可能大多数时间处于S状态。如果此时内存严重不足，操作系统可能会直接杀掉进程以释放空间，导致硬盘处理完后找不到数据，重要数据丢失。为了防止这种情况，我们需要给进程设置一个状态，凡是要向磁盘写入数据的进程，即使是操作系统也不能删除，而应删除其他进程。因此，进行数据I/O的进程需要加上D状态，以避免被操作系统删除。D状态表示深度睡眠，不可被暂停。进程如何取消？1、重启（断电）；2、自己醒来。

1、4、进程状态X和Z

X状态是死亡状态，比较难以查看且瞬时。类似于现实生活中的查案，警察来到现场不会立即收拾现场，而是保持现场，等待所有流程走完，取证完毕后才收拾。同样，进程结束后不会立即退出，而是处于一种僵尸状态Z，如果父进程不对其进行回收，进程将一直处于Z状态，不会进入X状态。

2、僵尸进程

此代码的含义是父进程一直处于while循环中，而子进程只执行5次。子进程执行结束后，父进程尚未结束，因此子进程处于未被回收的状态，即僵尸进程。

其中defunct表示失效的，不存在的。这意味着子进程确实已经退出，没有数据和代码，但仍存在PCB结构体。僵尸进程表示：已经运行完毕，但需要维持自己的退出信息，记录在task_struct中，等待父进程读取。如果没有父进程读取，僵尸进程将一直存在。

3、孤儿进程

顾名思义，孤儿进程是指父进程先退出，而子进程尚未结束。最典型的表现是：

如果父进程先退出，子进程将变成孤儿进程，孤儿进程将被1号进程（OS）领养，以确保孤儿进程能够被正确处理。

4、bash概括

我们以前启动的所有进程，为什么从来没有关心过僵尸进程和内存泄漏？因为在命令行中启动的子进程，其父进程是bash，bash会自动回收新进程的Z状态。

5、进程的阻塞、挂起和运行

5、1、运行

当多个task_struct排成队列放在CPU中时，该进程即为R状态（运行状态）。一个进程一旦持有一个CPU，会一直运行到进程结束吗？不会。因为是基于时间片进行调用，如果一个进程超过规定的时间片，就需要跳过该进程，先执行下一个，以此类推。这种基于时间片的调度方式称为并发，防止CPU被死循环占用。只有在多个CPU的情况下，才能实现真正的并行算法调度。但Linux的调度算法不止这一种。

5、2、阻塞问题

1、在C语言中使用scanf时，如果当前没有对键盘进行输入，此时的进程处于什么状态？scanf在等待什么资源？此时scanf处于阻塞状态，在Linux中相当于S+状态，等待键盘资源是否就绪（键盘是否输入数据）。

2、操作系统如何对硬件进行管理？

操作系统对硬件的管理不是直接管理硬件，而是管理其数据。每个硬件都有自己的结构体供操作系统控制。硬件的结构体能够有程序的等待队列。当进程队列中有scanf时，需要检查硬件是否准备好，如果没有准备好，就需要将该进程剥离出来，排到硬件的队列中，等待硬件数据输入成功。因此，不仅CPU有自己的运行队列，各种硬件也有自己的运行队列。

这种进程状态被称为阻塞。当硬件操作完成后，操作系统会将硬件结构体中的队列中的特定进程释放，重新链回相应的进程运行队列中。

5、3、挂起

磁盘中存在swap分区。当操作系统内存紧张时，需要将一些不在运行队列中的进程的代码和数据暂时移出到磁盘的swap分区中。因为此时的进程还在硬件的排序队列中，数据和代码暂时不会被访问。这样可以优化内存容量。当读取数据结束，重新回到运行队列时，再从swap分区中唤出相应的代码和数据。此时进程仍然存在，只是数据和代码放在磁盘中。这种情况称为阻塞挂起态。但频繁的唤出和唤入会降低进程的效率。

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