【Linux进行时】进程状态

梦里梦外; 2024-04-25 20:16 5阅读 0赞

![在这里插入图片描述][944bd396b5a1439eaeb8e510569613b9.png_pic_center]

### 进程状态： ###

> ❓假设我们在上课，在B站上上课，请问我们的B站是不是一直运行呢？💡不是的！
> 
> ❓假设我们同时打开了B站和PDF阅读器时，是怎么运行的呢？
> 
> 💡每一个进程在CPU跑一会，再从CPU拿下来放上另外一个上去，周而复始，这种叫做`分时操作系统`
> 
> ❓那就有一个问题，假设先用B站，为什么先将B站这个进程放上去，而不是PDF阅读器呢？
> 
> 💡这就取决于进程状态！

思维导图：

![image-20230915173545002][]

### 1.进程的状态 ###

#### 1.1三种基本运行状态 ####

*  运行状态

🔥R运行状态（running）: 并不意味着进程一定在运行中，`它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里`。

> ❓一个进程只要把自己放到CPU上开始运行了，是不是一直要到执行完毕，才把自己放下来？
> 
> 💡不是，每一个进程都有一个叫做：**时间片的概念！** 其时间大概是在10 ms左右。所以并不是一个进程一直在执行，而是这多个进程在一个时间段内所有代码都会被执行 —— 这就叫做【并发执行】
> 
> 所以呢这就一定会存在大量的进程**被CPU放上去、拿下来的动作** —— 这就叫做【进程切换】

*  并发and并行

🔥并行：指的是两个或者多个事件同一时刻发生（可以类比为一个公路，三台车不同道同向行驶）

🔥并发：指的是一段时间内有多个程序同时运行

*  就绪状态

🔥指的是进程已经处于准备好执行的状态，但是CPU没有空闲的，

*  阻塞状态和挂起状态

有两个概念：阻塞和挂起！

阻塞：进程因为等待某种条件就绪 ，而导致的一种不推进的状态——进程卡住了——阻塞一定在等待某种资源

就相当于进程太多了，卡着一个进程，在这个进程来看就是在等待CPU调度（某种资源）

> 🔥阻塞：进程等待某种资源就绪的过程
> 
> ❓为什么阻塞呢？
> 
> 💡进程要通过等待的方式，等具体的资源被别人是用使用完之后，再被自己使用。
> 
> ❓什么是资源呢？💡资源=磁盘或者网卡显卡等各种外设（这是硬件，软件也有）

因为操作系统是通过先描述，后组织的方式来进行管理，假设用struct来代表这些外设用链表连接起来，

❓可以存在大量的进程吗？💡可以的❓要管理吗？💡先描述再组织

假设我们有一个进程task\_struct要加载到cpu中，它在等待一个网卡资源

![image-20230810113159424][]

CPU说你不能在我上面跑了，所以task\_struct就添加到这个队列的尾部等待网卡这个资源

![image-20230810114050941][]

也就是我们的task\_struct在我们的列入到某种资源的队列当中，它就不会被CPU调度了吗，这不就是卡住了吗，不就是阻塞了吗！！！！

🔥pcb可以被维护在不同的队列中的！

阻塞：阻塞就是不被调度——一定是因为当前进程需要等待某种资源就绪——一定是进程task\_struct结构体需要再某种被OS管理的资源下排队

挂起：

![image-20230810151426838][]

📚例子

假设task\_struct是个下载任务，这里突然没网了，CPU说这个task\_struct就不能跑了，task\_struct就链接在网卡这个队列的中，这里就是阻塞了

操作系统通过自己的一套算法，把占有内存的，不被调度的进程的数据和代码交换到磁盘当中

磁盘那边放了一份交换后的代码和数据，这里的内存的代码和数据被释放，

在被再次调度前再把代码和数据换回来就可以了

![image-20230810152157573][]

🔥其中代码和数据由操作系统暂时将我们的从内存换到磁盘的过程中，此时这个进程就是挂起状态，全称叫做阻塞挂起状态

### 2.Linux进程状态 ###

task\_struct是一个结构体，内部会包含各种属性，包括状态（status）

为了研究 Linux 进程状态，我们把源码先拿出来看看：

/*
    * 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运行状态（running）: 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。
 *  S睡眠状态（sleeping): 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠（interruptible sleep））
 *  D磁盘休眠状态（Disk sleep）有时候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。
 *  T停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（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。
 *  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。

用0表示R，用1表示S，用2表示D，用4表示T，用8表示t，用16表示X，用32表示Z

*  运行状态

> ❓进程只要是在R状态，就一定是在CPU上运行吗？💡不一定！
> 
> ![image-20230810153626277][]
> 
> 所有运行的进程只要在运行的队列中排队就可以了，所以CPU调度进程只要去我们的队列中去挑进程就可以了
> 
> ❓进程是什么状态？💡一般也看这个进程在哪里排队

进程状态查看我们可以用`ps`

这里我们也能拿 ps 指令来看进程的状态，我们开小窗输入：

ps axj | head -1 && ps axj | grep process | grep -v grep

![image-20230810164739743][]

显然这里S是休眠状态

🔥首先需要声明一点，状态后面跟加号，表示是一个 \*\*前台进程，\*\*你只需要知道的是，能够在键盘上 Ctrl+c 暂停的都可以叫前台进程。

其实我们CPU的运行速度都很快，我们看到这里它一直在打印，其实是显示器（外设）一直在打印，CPU一瞬间就完成了，所以状态是S

我们将test.c中printf注释掉，再试一下

![image-20230810165142801][]

![image-20230810165055831][]

我们发现这里变成了R状态了

所以这个进程不访问任何资源，只等你 CPU，只要你被运行期间不访问外设，就不会被阻塞。

不访问外设，那么死也会在等待队列里，一直在等待队列中，这就让 process 达成 R状态！

🔥这里printf的本质就是向外设（网卡、显示器)打印消息，进程只要是R状态，并不直接代表进程正在运行，而代表该进程在运行队列中排队

![image-20230915091533355][]

🔥队列由操作系统自己维护

*  睡眠状态

S状态——休眠状态，可中断休眠，它一直在等待某种资源，其实就是阻塞状态

![image-20230915093710034][]

> 🔥我们一般把 状态叫作 **浅度睡眠**，也叫做 **可中断睡眠**。
> 
>  *  顾名思义，当进程处于 S 状态，它可以随时被唤醒。
>  *  不仅仅是操作系统可以唤醒，你也可以唤醒，甚至你想杀掉它都行。
> 
>     $ kill -9 [pid]

我们用另外一个例子来更直观感受S状态

#include <stdio.h>
     #include <unistd.h>
     int main(void)
     {
        
       int a=0;
      printf("输入a的值：");
      scanf("%d",&a);
      printf("a=%d\n",a);                                        
      return 0;                                                                          
     }

![image-20230915095029316][]

将该进程运行起来我们可以看到其是出于`S+`的状态，因为【shell】此时正在等待用户的输入，这个就对应到了我们上面所讲到的 阻塞状态

🔥不仅如此，像我们一直在使用的`bash`，也可以算是一种【阻塞状态】，一直等待着我们去输入命令行，一旦有了的话它就进行读取

![image-20230915095247760][]

*  深度睡眠模式

这也是一种阻塞模式

"S (sleeping)", /* 1 */
    "D (disk sleep)", /* 2 */

这里D模式比S模式多一个disk，磁盘？那肯定跟磁盘有关系

一般而言，在 Linux 中，如果我们等待的是磁盘资源，我们进程阻塞所处的状态就是 D 状态。

与S状态类似，进程处于睡眠状态，但是此刻进程是不可中断的。不可中断，指的并不是CPU不响应外部硬件的中断，而是指进程不响应异步信号。  
绝大多数情况下，进程处在睡眠状态时，总是应该能够响应异步信号的。否则你将惊奇的发现，`kill -9`竟然杀不死一个正在睡眠的进程了！于是我们也很好理解，为什么ps命令看到的进程几乎不会出现D状态，而总是S状态。

🔥 **而TASK\_UNINTERRUPTIBLE状态存在的意义就在于，内核的某些处理流程是不能被打断的**。如果响应异步信号，程序的执行流程中就会被插入一段用于处理异步信号的流程（这个插入的流程可能只存在于内核态，也可能延伸到用户态），于是原有的流程就被中断了。

*  暂停状态

T状态，暂停状态

我们先通过这个指令来了解一下，我们要使用的就是下面的18和19信号

kill -l

![image-20230915110704336][]

进程暂停与进程休眠(阻塞) 没有关系，只是单纯不想让这个进程跑了。

比如有些进程在执行任务时，用户想让这个进程暂停一下，这其实很好理解。

比如看视频，听音乐，下载，都会有暂停。当你点击暂停的时候下载对应的代码就不跑了，此时这个进程你就可以认为是暂停状态。

kill -19 进程pid    暂停该进程
    kill -18 进程pid    解除暂停

![image-20230915111618657][]

kill -18 pid解除一下

*  死亡状态

X状态，死亡状态

kill -9 PID

dead 代表死亡，所以 X状态对应的就是 **死亡状态**。

这个没有什么好说的，X 状态的进程就代表死亡了，可以随时等待 OS 来收尸了。

*  僵尸状态

当一个 Linux 中的进程退出的时候，一般不会直接进入X状态（死亡，资源可以立马被回收），而是进入Z状态

> ❓当进程退出后不直接变成X状态而是变成Z状态这是为什么呢？
> 
> 💡当一个进程退出的时候，那最关心它的便是【父进程】。因为这个父进程费了很大的劲才将这个子进程`fork`出来，此时呢它突然挂掉了，那么此时父进程就必须去关心一下对应的子进程退出时的原因

在这个退出过程中，进程占有的所有资源将被回收，除了task\_struct结构（以及少数资源）以外。于是进程就只剩下task\_struct这么个空壳，故称为僵尸。  
之所以保留task\_struct，是因为task\_struc t里面保存了进程的退出码、以及一些统计信息。而其父进程很可能会关心这些信息。

我们来造一个僵尸出来看看：

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
     
    int main(void) {
        
        pid_t id = fork();
        if (id == 0) {
        
            // child
            int cnt = 5;
            while (cnt) {
        
                printf("我是子进程，我还剩下 %ds\n", cnt--);
                sleep(1);
            }
            printf("我是子进程，我已经变僵尸了，等待被检测\n");
            exit(0);
        }
        else {
        
            // father
            while (1) {
        
                sleep(1);
            }
        }
    }

![image-20230915114258396][]

> ❓如果长时间处于僵尸状态，会有什么结果呢？
> 
> 💡如果没有人收尸，该状态会一直维护，该进程的相关资源 (task\_struct) 不会被释放！内存泄露！一般必须要求父进程进行回收，如何回收的问题我们会在进程控制章节讲解。
> 
> ❓为什么要main（）的返回值呢？💡return 0；这个是进程退出码

🔥如果-个进程退出了，立马X状态,立马退出，你作为父进程，有没有机会拿到退出结果呢? ? ? Linux当进程退出的时候，- -般进程不会立即彻底退出，而是要维持一个状态叫做Z, 也叫做僵尸状态— 方便后续父进程(OS)读取该子进程退出的退出结果!

只要父进程不退出，这个僵尸状态的子进程就一直存在。那么如果父进程退出了呢，谁又来给子进程“收尸”？  
当进程退出的时候，会将它的所有子进程都托管给别的进程（使之成为别的进程的子进程）。托管给谁呢？可能是退出进程所在进程组的下一个进程（如果存在的话），或者是1号进程。所以每个进程、每时每刻都有父进程存在。除非它是1号进程。

1号进程，pid为1的进程，又称init进程。  
linux系统启动后，第一个被创建的用户态进程就是init进程。它有两项使命：  
1、执行系统初始化脚本，创建一系列的进程（它们都是init进程的子孙）；  
2、在一个死循环中等待其子进程的退出事件，并调用waitid系统调用来完成“收尸”工作；  
init进程不会被暂停、也不会被杀死（这是由内核来保证的）。它在等待子进程退出的过程中处于S状态，“收尸”过程中则处于R状态。

*  孤儿进程

如果父进程 一直存在，子进程退出了，父进程对子进程不管不顾，子进程退出后就要进入僵尸状态

如果有父子两个进程，因为一些问题父进程不存在了，子进程还没有退出呢？

myproc.c

1 #include<stdio.h>
        2 #include<unistd.h>
        3 int main()
        4 {
        5   pid_t id=fork();
        6   if(id==0)
        7   {
        8     //child
        9     while(1)
       10     {
       11       printf("我是子进程：pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
       12       sleep(1);
       13     }
       14   }
       15   else
       16   {
       17     //parent
       18     int cnt=10;
       19     while(1)
       20     {
       21        printf("我是父进程：pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
       22        sleep(1);
       23        if(cnt--<=0)break;                                                                            
       24     }
       25   }
       26   return 0;
       27 }

make一下，没有问题

![image-20230814144031956][]

这里的$@

和$^

$@代表冒号左侧的，红色的，目标文件

$^代表冒号右侧的，蓝色的，依赖文件

![image-20230814144445334][]

`while :;do ps ajx | head -1&&ps ajx |grep myproc | grep -v grep;sleep 1;echo "----------";done`

![image-20230814150123577][]

我们在旁边把程序运行起来

我们发现我们的父进程是5388 ppid 7666

子进程 5389 ppid5388

![image-20230814150923186][]

后面父进程中止了，只剩下子进程

子进程是5389 ppid变成了1

![image-20230814151026354][]

父进程这时候退出了那是不是应该处于僵尸状态呢？

这里我们为什么没有看到父进程处于僵尸状态呢？

我们在命令行中启动一个进程时，它的父进程是bash

父进程退出之后，它的父进程是bash（命令行解释器）,所以这个父进程退出的时候，它的父亲帮他回收了

相当于是我死了，我爹bash帮我回收了

我们发现这个子进程的父进程死掉后，它给自己又找了个爹（1号进程）,1好进程可以叫为操作系统

![image-20230814152258685][]

![image-20230814152355978][]

如果不领养会发生什么呢?

如果有一天这个子进程挂了，并且他没有父进程，他就会被操作系统遗忘，就一直处于一种占用操作系统内存空间的情况，也就是内存泄漏

![在这里插入图片描述][a0ba227b48a94e4c9089baa0a217345b.gif_pic_center]

[944bd396b5a1439eaeb8e510569613b9.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/1dde91fb66134fe492ab7f34c25d8460.png
[image-20230915173545002]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/79148e2f999a4f9c842f1231bb3de3af.png
[image-20230810113159424]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/6fb1285ea88f45f9aa2cc7a11a425138.png
[image-20230810114050941]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/99ca905e93ff4890877e57ecd2b23d2c.png
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[image-20230810152157573]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/8a6325f3abd7463b913a70d40b1936bd.png
[image-20230810153626277]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/423c338d7048495e980f24aef8b7321e.png
[image-20230810164739743]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/aef63cca316a42b094e06d9524d509af.png
[image-20230810165142801]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/7bcf7f67a6d14568b34ec003240d5d30.png
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[image-20230814151026354]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/a13f052de0384e42940499ccd03f8372.png
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[image-20230814152355978]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/a5582155722a4543b04cac591208d632.png
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