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進程狀態(tài)

操作系統(tǒng)進程狀態(tài)概覽（理論版），實際的一款操作系統(tǒng)進程狀態(tài)與理論狀態(tài)會有一定區(qū)別?！?/p>

新建狀態(tài)：字面意思，當進程剛創(chuàng)建時，就是新建狀態(tài)。
運行狀態(tài)：等待CPU資源時，當還沒有輪到某個進程時，該進程會被鏈接在CPU的等待隊列中（該隊列被稱為run_queue，操作系統(tǒng)會按一定策略調(diào)度該隊列中的進程到CPU上執(zhí)行），位于該隊列中的進程都處于運行狀態(tài)，而不是正在CPU上運行的程序才叫做運行狀態(tài)。
阻塞狀態(tài)：等待非CPU資源就緒，該進程被從運行隊列上取下，被掛接到等待的資源的等待隊列中，該進程就稱為阻塞狀態(tài)。
掛起狀態(tài)：當內(nèi)存不足的時候，操作系統(tǒng)通過適當?shù)闹脫Q進程的代碼和數(shù)據(jù)到磁盤，進程的狀態(tài)就稱為掛起狀態(tài)。

關(guān)于進程狀態(tài)，我們來看看Linux源代碼中總共有幾種狀態(tài)↓↓↓

static const char* cinst task_state_array[] = {
"R(runnning)",/* 0 */
"S(sleeping)",/* 1 */
"D(disk sleep)", /* 2 */
"T(stopped)",/* 3 */
"t(tracing stop)",/* 4 */
"X(dead)", /* 16 */
"Z(zombie)" /* 32 */
};

在介紹這些狀態(tài)時，將使用使用描述+代碼驗證的方式（但部分狀態(tài)無法使用代碼驗證）。在開始介紹前，我們需要了解如何查看進程狀態(tài)↓↓↓

進程狀態(tài)查看

ps aux / ps axj

查看進程狀態(tài)總共有兩種方式，分別是ps aux及ps axj。使用它們查看進程的效果如下圖所示↓↓↓

★ps：關(guān)于ps命令的更多用法，可以查詢man手冊。

R運行狀態(tài)（running）

我們在創(chuàng)建了進程之后，操作系統(tǒng)會給該進程創(chuàng)建一個task_struct結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中包含進程狀態(tài)、pid、ppid、優(yōu)先級等字段，該結(jié)構(gòu)體就是PCB（進程控制塊），用于記錄進程各類信息。

管理好這些進程，我們需要只要管理好task_struct結(jié)構(gòu)體即可。因此，操作系統(tǒng)將task_struct鏈成一個鏈表（隊列）。

由于計算機中的各類資源（包括CPU、內(nèi)存、外部設(shè)備等）均十分寶貴，各個進程在獲取某個資源時，可能需要到某個資源上排隊。而等待CPU資源的進程將被鏈成一個隊列，這個隊列叫做運行隊列（run_queue）。而處于運行隊列上的進程的狀態(tài)就是運行狀態(tài)，即R狀態(tài)。

下面，我們編寫一個死循環(huán)，并查看該進程的狀態(tài)↓↓↓

#include <stdio.h>
int main()
{
	while(1)
	{}
	return 0;
}

上面的STAT的R就是運行狀態(tài)。

S睡眠狀態(tài)（sleeping）

如果我們編寫一個循環(huán)打印"hello world"的程序，則執(zhí)行該程序的進程的狀態(tài)是R狀態(tài)嗎？

#include <stdio.h>
int main()
{
	while(1)
	{
		printf("hello world\n");
	}
	retrun 0;
}

這里我執(zhí)行ps axj | head -1 && ps axj | grep test命令，得到的進程狀態(tài)是S狀態(tài)，即睡眠狀態(tài)。這是為什么呢？那什么是睡眠狀態(tài)呢？

我們在執(zhí)行上面的程序時，進程需要訪問外設(shè)，而外設(shè)相比與cpu而言，速度非常慢。該進程為了打印"hello world"，它需要到對應(yīng)的外設(shè)上等待（這里的外設(shè)是顯示器），在它需要使用外設(shè)資源時，cpu將該進程的PCB從運行隊列中取下來，并鏈入顯示器的等待隊列中。在除了cpu以外的隊列中等待時，這時的狀態(tài)就是S休眠狀態(tài)（也就是理論狀態(tài)中的阻塞狀態(tài)）。等該進程打印完畢后，再鏈入cpu，繼續(xù)向下執(zhí)行。但由于上面的程序頻繁訪問外設(shè)，導(dǎo)致它在運行隊列中的時間非常短。因而，我們在查看該進程狀態(tài)時，絕大多數(shù)情況下，它都處于睡眠狀態(tài)。

D磁盤休眠狀態(tài)（Disk sleep）

在操作系統(tǒng)中，如果一個進程處于睡眠狀態(tài)，即S狀態(tài)。如果此時操作系統(tǒng)負載過大，則可能殺死該進程。這種睡眠狀態(tài)也被稱為淺度睡眠，因為它可以被操作系統(tǒng)終止。這也就是為什么某些軟件服務(wù)在用戶量過大時，出現(xiàn)某些用戶無法獲取服務(wù)的原因，因為應(yīng)用服務(wù)器的操作系統(tǒng)覆蓋過大時，這些用戶的進程被操作系統(tǒng)終止了。

從操作系統(tǒng)角度來說，操作系統(tǒng)為了維護服務(wù)器能穩(wěn)定運行，不得不殺死某些進程；從進程角度來說，進程正常運行而被操作系統(tǒng)強制關(guān)閉，進程也無能為力。

如果我們希望某些關(guān)鍵性進程，即使在操作系統(tǒng)負載過大時也不會被殺死，則可以將該進程設(shè)置為D狀態(tài)，即磁盤休眠狀態(tài)（也稱為磁盤睡眠狀態(tài)、深度睡眠狀態(tài)）。處于該狀態(tài)的進程不能被操作系統(tǒng)中斷，也不能被操作系統(tǒng)喚醒。該進程只有自己醒來，即該進程不再處于D狀態(tài)，才能被操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行、回收等。

★ps：該狀態(tài)無法使用程序演示

T停止狀態(tài)（stopped）

在操作系統(tǒng)中，可以給某些進程發(fā)送信號，發(fā)送信號的格式為：

kill -[信號編號] [進程pid]

下面，我們使用kill -l查看所有信號及其對應(yīng)的編號↓↓↓

上圖的18號信號SIGCONT為進程繼續(xù)執(zhí)行信號，19號信號為SIGSTOP為進程暫停信號。如果我們給某個進程發(fā)送19號信號，則它將處于T狀態(tài)，即暫停狀態(tài)。

下面，我們給上面循環(huán)打印"hello world"的進程發(fā)送19號信號，再對比發(fā)送信號前后的狀態(tài)變化

kill -19 19093

在接收到19號SIGSTOP信號后，19093號進程停止打印"hello world"，并且此時它的狀態(tài)為T狀態(tài)，即暫停狀態(tài)。

如果我們給19093號進程發(fā)送18號SIGCONT信號，會是什么效果呢？

發(fā)送信號后，19093號進程繼續(xù)打印"hello world"，并且它的狀態(tài)又變回S狀態(tài)，即睡眠狀態(tài)。但這里不同的是，原先的狀態(tài)是S+，而此時的狀態(tài)是S。這兩者有什么區(qū)別呢？

S+狀態(tài)下的進程，在使用ctrl+C時，可以被終止；而S狀態(tài)下的進程使用ctrl+C卻無法被終止。這里帶有+號的稱為前臺進程，不帶+號的稱為后臺進程。前臺進程占用用戶當前的bash命令行；后臺進程不占用用戶的bash命令行，但后臺進程需要使用kill -9 [進程號]發(fā)送9號信號來終止。

★ps：T狀態(tài)與S狀態(tài)的區(qū)別：T狀態(tài)單純暫停，并不等待某種資源；而S狀態(tài)是為了等待某種資源。

t調(diào)試/追蹤狀態(tài)（tracing stop）

我們在編寫完程序后，可以在使用gcc編譯，如果在編譯命令的末尾加上-g選項，則會生成一個debug版本的程序。如果不帶-g選項，gcc默認生成的是release版本。

我們使用gcc生成下面程序的release和debug版本↓↓↓

#include <stdio.h>

int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int num1 = 10;
	int num2 = 20;
	printf("%d + %d = %d\n", num1. num2, Add(num1, num2));
	return 0;
}

從上圖可以發(fā)現(xiàn)，debug版本所占的內(nèi)存空間會大于release版本（因為debug版本中包含調(diào)試信息）。

下面我們使用gdb對test_g進行調(diào)試↓↓↓

由于在12行處打了斷點，此時程序停止在12行處。我們使用ps axj | head -1 && ps axj | grep test查看當前進程狀態(tài)↓↓↓

此時的進程狀態(tài)為t狀態(tài)，即調(diào)試狀態(tài)（也稱為追蹤狀態(tài)）。

X死亡狀態(tài)/終止狀態(tài)（dead）

如果進程執(zhí)行結(jié)束了，操作系統(tǒng)會馬上回收該進程的資源嗎（進程此時占用內(nèi)存等資源）？不一定。如果此時cpu上此時正在處理更加重要、緊急的進程，則操作系統(tǒng)此時不會馬上回收已經(jīng)執(zhí)行結(jié)束的進程，而是將該進程標識為X狀態(tài)，即死亡狀態(tài)（也成為終止狀態(tài)）。

標記為X狀態(tài)的進程，表示該進程可以被操作系統(tǒng)回收。但具體什么時候回收，取決于操作系統(tǒng)。由于X狀態(tài)瞬時性較強，難以使用程序演示，這里就不使用程序演示了。

Z僵尸狀態(tài)/僵尸進程（zombie）

僵尸狀態(tài)（zombie，也稱為僵死狀態(tài)）是一種比較特殊的狀態(tài)。該狀態(tài)發(fā)生在子進程退出，而父進程沒有回收子進程資源時（即父進程沒有使用waitpid讀取子進程的退出信息），此時子進程就會進入僵尸狀態(tài)。

僵尸進程會以終止狀態(tài)保持在進程表中，并且會一直等待父進程讀取退出狀態(tài)碼。所以，只要子進程退出，父進程還在運行，但父進程沒有讀取子進程狀態(tài)，則子進程會進入Z狀態(tài)。

下面創(chuàng)建的程序，使得子進程保持5秒的僵尸狀態(tài)↓↓↓

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	assert(id != -1);

	if(id == 0)
	{
		printf("I am child process! pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
		sleep(5);
		exit(0);
	}
	printf("I am parent process! pid = %d\n", getpid());
	sleep(10);
	return 0;
}

執(zhí)行上述程序并使用while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep test; sleep 1; echo "#############" done; 腳本，每1秒鐘對執(zhí)行內(nèi)容做監(jiān)視。


我們可以發(fā)現(xiàn)，在子進程退出后，父進程沒有退出，此時的子進程的狀態(tài)變?yōu)閆狀態(tài)，即僵尸狀態(tài)。

僵尸進程的危害：
進程的退出狀態(tài)必須被維持下去，因為他要告訴關(guān)心它的進程（父進程），你交給我的任務(wù)，我辦的怎么樣了?？筛高M程如果一直不讀取，那子進程就一直處于Z狀態(tài)。

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task_struct(PCB)中，換句話說，Z狀態(tài)一直不退出，PCB一直都要維護。

那一個父進程創(chuàng)建了很多子進程，如果不回收，就會造成內(nèi)存資源的浪費（內(nèi)存泄漏）。因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象本身就要占用內(nèi)存，想想C語言中定義一個結(jié)構(gòu)體變量（對象），是要在內(nèi)存的某個位置進行開辟空間！

★ps：關(guān)于僵尸進程如何被處理的問題，將在后序文章中的介紹。

孤兒進程

上面已經(jīng)將進程的各種狀態(tài)講述完畢，接下來，我們再了解另一種進程——孤兒進程。

父進程如果提前退出，子進程后退出，則此時父進程無法再回收子進程資源了，那該如何處理呢？

如果讓子進程一直保持Z狀態(tài)，則會造成內(nèi)存泄漏；但此時子進程的父進程已經(jīng)執(zhí)行結(jié)束，沒有進程可以來清理子進程的資源了，這種子進程被稱為孤兒進程。操作系統(tǒng)為了解決這個問題，對于父進程已經(jīng)執(zhí)行結(jié)束，而子進程后退出的，該子進程將被1號init進程領(lǐng)養(yǎng)，其資源將由init進程進行回收。

下面代碼中，父進程比子進程執(zhí)行結(jié)束前5秒就退出↓↓↓

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	assert(id != -1);
	if(id == 0)
	{
		int cnt = 10;
		while(cnt > 0)
		{
			printf("I am child process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
			cnt--;
		}
		exit(0);
	}
	printf("I am parent process, pid = %d\n", getpid());
	sleep(5);
	return 0;
}

由程序執(zhí)行結(jié)果可以看出，子進程前5秒的父進程pid為15480，由于父進程在子進程推出前5秒就推出了，此時子進程被1號init進程領(lǐng)養(yǎng)，故此時該進程的父進程pid為1。

進程優(yōu)先級

基本概念

優(yōu)先權(quán)高的進程有優(yōu)先執(zhí)行權(quán)利，可以優(yōu)先獲得cpu資源。

配置進程優(yōu)先權(quán)對多任務(wù)環(huán)境的linux很有用，可以改善系統(tǒng)性能。對于多核計算機，可以把進程運行到指定的CPU上，這樣一來，把不重要的進程安排到某個CPU，可以大大改善系統(tǒng)整體性能。

★ps：優(yōu)先級是重要的調(diào)度指標，CPU中的調(diào)度器依據(jù)優(yōu)先級選擇哪些進程優(yōu)先到CPU運行

查看系統(tǒng)進程

我們可以執(zhí)行ps -le來查看系統(tǒng)中所有進程的詳細信息（-e選項表示所有進程，-l選項表示顯示進程詳細信息）

上圖中：
UID : 代表執(zhí)行者的身份
PID : 代表這個進程的代號
PPID ：代表這個進程是由哪個進程發(fā)展衍生而來的，亦即父進程的代號
PRI ：代表這個進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級，其值越小越早被執(zhí)行
NI ：代表這個進程的nice值

PRI及NI

PRI是進程的優(yōu)先級，或者通俗點說就是程序被CPU執(zhí)行的先后順序，此值越小進程的優(yōu)先級別越高。NI就是我們所要說的nice值了，其表示進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級的修正數(shù)值。PRI值越小越快被執(zhí)行，那么加入nice值后，將會使得PRI變?yōu)椋篜RI(new)=PRI(old)+nice。

這樣，當nice值為負值的時候，那么該程序?qū)?yōu)先級值將變小，即其優(yōu)先級會變高，則其越快被執(zhí)行。所以，調(diào)整進程優(yōu)先級，在Linux下，就是調(diào)整進程nice值。nice其取值范圍是-20至19，一共40個級別。

那如果PRI(new)=PRI(old)+nice，那么我的程序起始優(yōu)先級PRI為80，我對它重復(fù)設(shè)置10000次nice值為-20，它的優(yōu)先級PRI是不是變成80-20*10000呢？答案是否定的。在Linux操作系統(tǒng)中，PRI起始都為80，nice值得范圍為-19到20。當我們設(shè)置了新的nice值時，該進程的PRI=80+nice值。也就是說PRI的范圍在[80-20,80+19]之間。

★ps：進程的nice值不是進程的優(yōu)先級，進程優(yōu)先級與nice值不是一個概念，但是進程nice值會影響到進程的優(yōu)先級變化。可以理解nice值是進程優(yōu)先級的修正修正數(shù)據(jù)。

修改進程優(yōu)先級

top命令

首先，我們運行一個名為test的死循環(huán)程序。此時它的PRI為80，NI為0。

top命令修改進程優(yōu)先級的方法（如果要設(shè)置小于0的nice值，即提高進程優(yōu)先級，此時需要使用sudo提權(quán)）：

①執(zhí)行top命令

②輸入r，并輸入待修改進程優(yōu)先級的進程pid。

③輸入nice值，這里輸入10。

我們使用ps -el | head -1 && ps -el | grep test查看進程優(yōu)先級發(fā)現(xiàn)，test的PRI變?yōu)?0，NI變?yōu)?0。

★ps：上圖中，我們將nice值設(shè)置為10，則該進程的PRI=80+10=90。如果我們在此基礎(chǔ)上設(shè)置nice值為15，則該進程的優(yōu)先級為PRI=80+15=95。

renice命令

renice命令使用格式為：

renice [nice值] -p [進程pid]

下圖演示將20269號進程的nice值修改為15。

我們使用ps -el | head -1 && ps -el | grep test查看進程優(yōu)先級發(fā)現(xiàn)，test的PRI變?yōu)?5，NI變?yōu)?5。

★ps：如果要給進程設(shè)置比原nice值更小的nice值，需要使用sudo提權(quán)。

關(guān)于進程的相關(guān)概念

競爭性: 系統(tǒng)進程數(shù)目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個，所以進程之間是具有競爭屬性的。為了高效完成任務(wù)，更合理競爭相關(guān)資源，便具有了優(yōu)先級。

獨立性: 多進程運行，需要獨享各種資源，多進程運行期間互不干擾。

并行: 多個進程在多個CPU下分別，同時進行運行，這稱之為并行。

并發(fā): 多個進程在一個CPU下采用進程切換的方式，在一段時間之內(nèi)，讓多個進程都得以推進，稱之為并發(fā)。

關(guān)于并行和并發(fā)這里做一下更詳細的解釋：
并行就是多個進程同時執(zhí)行，例如某計算機有3個CPU，3個進程各占用一個CPU，同時執(zhí)行，這就是并行。而并發(fā)并不是，例如某計算機只有1個CPU，我們有3個進程在一個CPU上并發(fā)執(zhí)行，第1個進程先執(zhí)行1ms，接下來由第2個進程執(zhí)行1ms，再由第3個進程執(zhí)行1ms，然后又由第1個進程執(zhí)行，以此類推…像這種明明各個進程是交替執(zhí)行的，但由于各個進程都在向前運行，而進程交替運行的操作用戶感知不到，用戶以為這3個進程是各占用1個CPU并同時執(zhí)行的，這種被稱為并發(fā)。

★ps：關(guān)于進程的切換問題↓↓↓

計算機中的CPU內(nèi)有大量的寄存器，它保存著正在執(zhí)行的進程的臨時數(shù)據(jù)。如果進程A正在被執(zhí)行，CPU內(nèi)的寄存器里面一定保存的是進程A的臨時數(shù)據(jù)。寄存器中的臨時數(shù)據(jù)，就叫做A的上下文。

上下文數(shù)據(jù)可以丟棄嗎？絕對不可以！由于計算機CPU數(shù)量小于進程數(shù)量，則當進程A暫時被切換下來的時候，進程A需要順便帶走自己的上下文數(shù)據(jù)。帶走暫時保存的目的就是為了下次回來的時候，能恢復(fù)上去，就能繼續(xù)按照之前的邏輯繼續(xù)向后運行，就如同沒有中斷過一樣。但如果沒有保存上下文數(shù)據(jù)，進程A回來再執(zhí)行時，就無法判斷進程A原先執(zhí)行到哪里了。

注意：CPU內(nèi)的寄存器只有一份，但是上下文可以有多份，分別對應(yīng)不同的進程??！

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