一、進程狀態(tài)概述

進程狀態(tài)是指在操作系統(tǒng)中，一個進程所處的不同運行狀態(tài)，進程狀態(tài)就決定了該進程接下來要執(zhí)行什么任務。常見的進程狀態(tài)有以下幾種：

• 新建狀態(tài)：進程被創(chuàng)建但還沒有被操作系統(tǒng)接受和分配資源。

• 就緒狀態(tài)：進程已經(jīng)獲得了所需的資源，并等待被調(diào)度執(zhí)行。

• 運行狀態(tài)：進程正在執(zhí)行指令，占用CPU資源。

• 阻塞狀態(tài)：進程因等待某個事件（如IO操作）而暫時停止執(zhí)行，并釋放CPU等資源。

• 終止狀態(tài)：進程執(zhí)行完成或被終止，釋放所有資源。

1.1 運行狀態(tài)詳解

在上一篇文章【Linux取經(jīng)路】揭秘進程的父與子提到過，一般的計算機中只有一個 CPU，而進程卻可能有很多個，這就注定了 CPU 是一個少量的資源，對所有的進程來說，運行的本質(zhì)，就是把它放到 CPU 上，所以每個 CPU 都會維護一個運行隊列，CPU 以隊列的形式對進程做調(diào)度。所有的進程要運行都要在運行隊列中排隊，參與排隊的是每個進程的 PCB 對象。所有在運行隊列中的進程，它們所處的狀態(tài)就叫做運行態(tài)(R狀態(tài))。

一個進程只要把自己放到 CPU 上開始運行，并不是一直要執(zhí)行完畢，才把自己放下來。如果一個進程被放到 CPU 上直到執(zhí)行完畢才把自己放下來繼續(xù)去執(zhí)行其他進程，那當我們的程序中寫了一個 while 死循環(huán)出來，在運行該程序的時候，其他的應用就會卡住。但現(xiàn)實并不是這樣，我們寫了一個 while 死循環(huán)，其他程序照樣可以正常運行。為了避免這種一個進程長時間占用 CPU 資源的情況出現(xiàn)，提出了時間片的概念。

時間片是操作系統(tǒng)中任務調(diào)度算法的一種思想，即將 CPU 的執(zhí)行時間劃分成固定長度的時間段，每個時間段稱為一個時間片。在每個時間片內(nèi)，操作系統(tǒng)將 CPU 分配給一個任務進行執(zhí)行，當時間片耗盡時，操作系統(tǒng)會中斷當前任務，并將 CPU 分配給下一個任務。時間片一般是10毫秒左右，所以在一個時間段內(nèi)所有的進程代碼都會被執(zhí)行，我們將這種情況叫做并發(fā)執(zhí)行。這種情況下會有大量的把進程放上 CPU 和從 CPU 拿下來的動作，這就叫做進程切換。

1.2 阻塞狀態(tài)詳解

最常見的阻塞狀態(tài)就是一個進程需要通過鍵盤讀取數(shù)據(jù)。當一個進程等待從鍵盤輸入的過程，此時該進程就處在阻塞狀態(tài)。鍵盤是一種硬件，在馮諾依曼結(jié)構(gòu)體系中屬于輸入設(shè)備（外設(shè)），操作系統(tǒng)對硬件資源的管理是先描述再組織，因此每一個硬件都會對應一個結(jié)構(gòu)體對象，該結(jié)構(gòu)體對象中一定會維護一個等待隊列，當一個進程需要利用該硬件資源時，進程的 PCB 對象就會被鏈入該等待隊列，此時進程就處于阻塞狀態(tài)。

小Tips：操作系統(tǒng)中的等待隊列可能有成百上千個，不僅每一種硬件有等待隊列，進程中也有等待隊列，可能會出現(xiàn)一個進程等待另一個進程結(jié)束后才能繼續(xù)運行。不同的操作系統(tǒng)，調(diào)度算法也會不同。

1.3 掛起狀態(tài)詳解

在一些操作系統(tǒng)的教材上還會出現(xiàn)掛起狀態(tài)。無論是運行狀態(tài)還是阻塞狀態(tài)，一個進程在沒有被 CPU 調(diào)度的情況下，它的代碼和數(shù)據(jù)是處于空閑的，即沒有被使用。之前說過一個進程在內(nèi)存中有它自己的代碼和數(shù)據(jù)，還有自己的 PCB 對象，當內(nèi)存空間告急時，操作系統(tǒng)就會把這些沒有被 CPU 調(diào)度的進程的代碼和數(shù)據(jù)先放到磁盤中存儲，只留進程的 PCB 對象在隊列中排隊，這種進程就處于掛起狀態(tài)。

上面介紹的這些屬于操作系統(tǒng)學科的理論知識，不同的操作系統(tǒng)可能會有不同的實現(xiàn)方案，下面我們來深入看看具體的 Linux 操作系統(tǒng)中有哪些進程狀態(tài)。

小Tips：掛起狀態(tài)對用戶是不可見的，這是操作系統(tǒng)的一種行為。就像我們把錢存銀行里，我們并不知道銀行把我們的錢拿去干嘛了，銀行可能把我們的錢借出去了或者給員工發(fā)工資了等等，我們作為客戶不得而知，我們只知道如果存的是活期，可以隨時到銀行把錢取出來，如果存的是死期只有到期了才能取出來。

二、具體的Linux操作系統(tǒng)中的進程狀態(tài)

為了弄明白正在運行的進程是什么意思，我們需要知道進程的不同狀態(tài)。一個進程可以有幾個狀態(tài)（在 Linux 內(nèi)核里，進程有時候也被叫做任務）。

2.1 Linux內(nèi)核源代碼

/*
* 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 */
};

• R運行狀態(tài)(running)：并不意味著進程一定在運行中，它表明進程要么是在運行中要么是在運行隊列里。

• S睡眠狀態(tài)(sleeping)：意味著進程在等待事件完成（這里的睡眠有時候也叫做可中斷睡眠(interruptible sleep)），它對應操作系統(tǒng)理論中的阻塞狀態(tài)。

• D磁盤休眠狀態(tài)(Disk sleep)：有時候也叫不可中斷睡眠狀態(tài)(uninterruptible sleep)，在這個狀態(tài)的進程通常會等待 IO 的結(jié)束。

• T停止狀態(tài)(stopped)：可以通過發(fā)送 SIGSTOP 信號給進程來（T）進程。這個被暫停的進程可以通過發(fā)送 SIGCONT 信號讓進程繼續(xù)運行。

• X死亡狀態(tài)(dead)：這個狀態(tài)只是一個返回狀態(tài)，你不會在任務列表里看到這個狀態(tài)。

2.2 查看進程狀態(tài)

先來看看下面這段代碼執(zhí)行起來后的進程狀態(tài)。

int main()                                                    
{                                                             
    while(1)                                                  
    {    
         printf("Hello Linux\n!");                                                           
    }    
    return 0;    
}  

可以看出這段代碼執(zhí)行起來后的進程狀態(tài)是 S睡眠狀態(tài)，將 while 循環(huán)中的打印去掉再去執(zhí)行代碼看看進程狀態(tài)。

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

此時代碼中只剩一個 while 死循環(huán)，去執(zhí)行這段代碼，進程狀態(tài)變成了 R運行狀態(tài)。為什么會出現(xiàn)在這種情況呢？原因是 CPU 的執(zhí)行速度是非?？斓模谝欢未a中的 printf 是要去頻繁的訪問顯示器設(shè)備，而我們的顯示器可能并不能被該進程直接去寫入，所以該進程大部時間都在顯示器的等待隊列里等待顯示設(shè)備就緒，因此最終查出來的進程狀態(tài)是 S睡眠狀態(tài)。當我們?nèi)サ?printf 之后，該進程就不會去訪問顯示器設(shè)備，始終都在運行隊列里，所以最終查出來的進程狀態(tài)是 R運行狀態(tài)。

小Tips：查詢結(jié)果中顯示的+表示該進程在前臺運行，這意味我們此時在 bash 命令行輸指令是不會有任何反應的，可以在輸入指令的后面加上&，此時表示讓該進程在后臺運行，要終止掉該進程只能通過指令kill -9 進程PID。

2.3 D磁盤休眠狀態(tài)(Disk sleep)

D狀態(tài)也是一種阻塞狀態(tài)，在 Linux 系統(tǒng)層面我們稱作深度睡眠，S狀態(tài)稱作淺度睡眠。淺度睡眠是可以被喚醒的，即可以響應外部的變化，我們可以通過 kill 指令（其他進程）將淺度睡眠的進程終止掉。下面通過一個情景劇來給大家介紹為什么要有 D 狀態(tài)，以及 D 狀態(tài)的作用。

有這樣一個場景，一個進程需要向磁盤中寫入大量數(shù)據(jù)。在正常情況下往磁盤中寫入數(shù)據(jù)，進程是需要等待的，等磁盤寫完后給進程一個信號，然后進程才能繼續(xù)去運行。有一天進程A就在向磁盤中寫入大量數(shù)據(jù)，磁盤在寫入的過程中，進程A就在內(nèi)存中翹著二郎腿，嗑著瓜子在等待磁盤寫完了給它發(fā)信息，此時路過的操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了進程A，它對進程A說：“我這內(nèi)存壓力都大的不行了，你小子倒好，占著內(nèi)存不干正事，還在這嗑瓜子！”。于是乎操作系統(tǒng)就將進程A kill 掉了。此時磁盤傻眼了，數(shù)據(jù)寫到一半進程沒了，因為進程沒了，所以磁盤就把寫入的數(shù)據(jù)刪除了，最終結(jié)果就是數(shù)據(jù)沒有被寫入磁盤。究竟是誰導致了這場悲劇的發(fā)生呢？于是乎法官就出來，它先審問操作系統(tǒng)，進程是你 kill 掉的，你怎么解釋？操作系統(tǒng)說，我命苦呀，我只是完成了我的本職工作呀，為了給用戶提供流暢的運行環(huán)境，將一些進程 kill 掉是我的職責呀，這不是我的問題呀。接著法官又來問磁盤，數(shù)據(jù)是你丟失的，你該如何解釋？磁盤說，我祖祖輩輩都是這樣工作的呀，進程它讓我寫入數(shù)據(jù)，結(jié)果自己不見了，其它磁盤遇到這種情況也是將數(shù)據(jù)丟棄掉呀，你如果判我有罪，那豈不是我的父親、母親都有罪呀。最后法官來問進程A，進程還沒等法官開口就撲通跪下說，法官大人您明察秋毫呀，我才是被 kill 掉的那個，我屬于被害人呀，我怎么會有罪呢。法官聽了一圈，感覺大家都沒罪，最終法官宣判了，你們?nèi)齻€都沒罪，是制度問題，回去我改改操作系統(tǒng)，當進程在向磁盤中寫入數(shù)據(jù)的時候任何人都不能將該進程 kill 掉。于是 D 狀態(tài)就誕生了。當一個進程處于 D 狀態(tài)的時候，它不會響應任何請求，任何人和操作系統(tǒng)都不能將該進程 kill 掉。

小Tips：結(jié)束掉 D 狀態(tài)的方法有兩種，一是等待某個條件滿足，如等待數(shù)據(jù)寫完，二是直接斷電。如果被用戶查到 D 狀態(tài)的進程，那就預示著這個操作系統(tǒng)離崩潰不遠啦。所以 D 狀態(tài)會有，但是一般出現(xiàn)的時間都非常短。

2.4 T停止狀態(tài)(stopped)

在 Linux 內(nèi)核源代碼中我們可以看到連個 T 狀態(tài)，一個是 T ，一個是 t，我們可以認為這兩個 T 狀態(tài)是一樣的，對于一個進程，我們可以通過下面這條指令將它設(shè)置成停止狀態(tài)。

kill -19 進程PID

可以通過下面這條指令來結(jié)束停止狀態(tài)。

kill -18 進程PID//

小Tips：結(jié)束停止狀態(tài)的進程會到后臺運行，要終止掉這個進程只能通過 kill -9指令。T狀態(tài)和S狀態(tài)很像，其中S狀態(tài)的進程一定是在等待某種資源，而T狀態(tài)的進程可能是在等待某種資源，也可能是在被其他進程控制。我們在打斷點調(diào)試一段代碼的時候，該進程就會處于T狀態(tài)。

三、僵尸進程

一個進程在退出時并不是立即將自己所有資源全部釋放，當一個進程退出時，操作系統(tǒng)會把當前進程的各種信息維持一段時間，這個狀態(tài)就叫做 Z 僵尸狀態(tài)。維持信息是給關(guān)心它的“人”，也就是父進程來查看的。如果父進程一直沒有來關(guān)心退出的子進程，那么這個子進程將長時間處于 Z 狀態(tài)。

int main()    
{    
    pid_t id = fork();    
    if(id == 0)    
    {    
        int cnt = 5;    
        while(cnt)    
        {    
            printf("我是子進程,PID是：%d,PPID：%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);                    
            sleep(1);    
            cnt--;    
        }    
       _exit(0);    
    }    
    else 
    {
        while(1)
        {
            printf("我是父進程,PID是：%d,PPID：%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

上面這段代碼在 process 進程中通過調(diào)用 fork 接口創(chuàng)建了一個子進程，子進程在執(zhí)行完五次打印后就會被終止掉，其中的 exit 函數(shù)就是用來終止一個進程，父進程將一直運行。

子進程執(zhí)行完5次打印后就處于 Z 狀態(tài)并且后面跟了一個單詞 defunct，該單詞有死了的，不存在的意思，只不過它還再等父進程來回收它的資源。處于 Z 狀態(tài)的進程的相關(guān)資源尤其是 task_struct 結(jié)構(gòu)體不能被釋放。只有當父進程把子進程的相關(guān)資源回收后，子進程才能變成 X死亡狀態(tài)。我們將這種處于 Z 狀態(tài)的進程就叫做僵尸進程，如果父進程一直不來回收，那這種進程會長時間占用內(nèi)存資源，造成內(nèi)存泄漏。

3.1 僵尸進程危害總結(jié)

1. 進程的退出狀態(tài)必須被維持下去，因為它要告訴關(guān)心它的進程（父進程），你交給我的任務，我辦的怎么樣了。可父進程如果一直不讀取，那子進程就將一直處于 Z 狀態(tài)。

2. 維護退出狀態(tài)本身就是要用數(shù)據(jù)維護，也屬于進程基本信息，所以保存在 PCB 對象中，換句話說，Z狀態(tài)一直不退出，PCB一直都要維護。

3. 一個父進程如果創(chuàng)建了很多的子進程，就是不回收，會造成內(nèi)存資源的浪費，因為 PCB 對象本身就要占用內(nèi)存。

4. 造成內(nèi)存泄漏。

四、孤兒進程

上面我們是讓子進程先退出，父進程一直運行，接下來我們讓父進程先退出，子進程一直運行，看看會有什么結(jié)果。

int main()    
{    
    pid_t id = fork();    
    if(id == 0)    
    {
    	//子進程    
        int cnt = 500;    
        while(cnt)    
        {    
            printf("我是子進程,PID是：%d,PPID：%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);    
            sleep(1);    
            cnt--;    
        }    
       _exit(0);    
    }    
    else    
    {
    	//父進程    
        int cnt = 5;
        //這里的cnt是5，意味著父進程會先執(zhí)行結(jié)束    
        while(cnt--)    
        {    
            printf("我是父進程,PID是：%d,PPID：%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);
            sleep(1);                                                                        
        }    
    }    
    return 0;    
}

可以看到父進程在執(zhí)行結(jié)束后就只剩下子進程，為什么父進程不會處在 Z僵尸狀態(tài)呢？答案是父進程也是 bash 的子進程，父進程在執(zhí)行結(jié)束后，它的父進程 bash 會將其回收掉，并且過程非?？?，所以我們我們沒有看到父進程處在 Z僵尸狀態(tài)。其次我們發(fā)現(xiàn)，當父進程結(jié)束后，它的子進程的父進程會變成1號進程，即操作系統(tǒng)。我們將父進程是1號進程的進程叫做孤兒進程，該進程被系統(tǒng)領(lǐng)養(yǎng)。因為孤兒進程未來也會退出，也要被釋放，所以它需要被領(lǐng)養(yǎng)。

小Tips：所有的進程只對它的“兒子”，即子進程負責，不會對它的孫子進程負責，因為代碼中只有創(chuàng)建子進程的邏輯，并沒有創(chuàng)建孫子進程的邏輯，所以并不是不想讓爺爺進程來回收孫子進程的資源，是因為爺爺進程沒有這個本事，而操作系統(tǒng)會直接從內(nèi)核層面進行回收，所以當一個進程的父進程結(jié)束后，會把該進程交給操作系統(tǒng)，讓操作系統(tǒng)來充當它的父進程。

五、結(jié)語

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