初识Linux · 进程（4）

前言：

承接上文，进程1到3我们分别介绍了从操作系统层面认识进程，什么是进程，进程的相关属性有哪些，如何创建进程，以及颠覆三观的函数fork，最后介绍了从哪里看进程的部分详细信息，以及深化了一下Linux中一切皆文件的思想->因为进程本质上也是目录！

本文作为进程的收尾工作，要介绍的是进程的状态，什么是僵尸进程，什么是孤儿进程，简单描述进程的调度问题，调度问题会在地址空间详细介绍，以及进程的优先级问题，进程的切换问题等。

更详细的进程介绍会在环境变量以及地址空间介绍完之后，介绍进程控制以及进程替换等，到时候进程才算完结。

好了，废话不多讲，开始今天的第一个话题，进程的状态。

进程的状态

进程的状态分为如下三个部分进行介绍，第一个是直接谈论进程的状态问题，第二个是僵尸进程以及孤儿进程，最后则是进程状态的纯理论，例如挂起态 阻塞态等。

直接谈论进程的状态

我们首先来用ps -xaj引入这个话题：

进程3中创建5个子进程的代码我们作为例子来介绍，我们已经介绍了ppid pid ，状态就是STAT，STAT就是state的简称，state翻译过来就是状态的意思。

/*
* 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 */
};

Linux的内核源代码中对于状态有一个数组来描述，一共有R S D T t X Z ，共7种状态，其中部分状态我们无法通过代码运行来观察，比如X，dead，表示进程死亡，就是被操作系统回收了，这是一瞬间的事情，我们很难观察。

  5 int main()
  6 {
  7   while(1)
  8   {
  9     printf("Hello world!\n");                                                                   
 10   }
 11 
 12   return 0;
 13 }

我们使用这段代码进入主题，这段代码没有啥问题吧？那么当我们运行起来这段代码的时候，按照常识来说状态应该是R，那来看看：

这边已经开始运行了。

可是为什么我们看运行状态是R和S混在一起，大多数时候还是S居多，难道一个进程可以同时拥有多个状态吗？当然不是的，那么为什么该代码的结果是S和R混一起？我们注释掉printf再看看：

可以发现此时的状态又变成了R，难道因为printf？确实是。

你想，cpu用来执行printf，是不是需要很短很短的时间，甚至超出了我们的想象，但是打印出来是在显示器上打印出来的，所以根据冯诺依曼体系，我们知道，cpu不是和外设直接打交道，那么cpu执行了printf之后，会先将打印结果输入到缓冲区，然后缓冲区刷新到显示器上，那么请问，这个死循环的过程，显示器是否时刻准备就绪呢？

当然不是，cpu一瞬间可以给很多很多的printf，显示器打印出来的速度是远远不及cpu运行的速度的，那么把显示器当作是人的话，它指定是会抱怨说：太多了太多了，打印不过来了。

所以，显示器的状态并不是准备就绪的，当我们运气好点，能偶尔看到显示器就绪的状态，此时cpu刚好执行printf，所以状态是R，但是大多数时候显示器可忙不过来。

这就是为什么大多数状态是S的原因，休眠状态，而这种休眠状态还被成为可中断休眠，实际上是一个浅休眠的状态。

这是状态S。

肯定是有细心的同学发现了，这上面的不都是带有+的吗？为什么都说是S啊R啊什么的，是错了吗？当然不是，这是分为进程是前台运行还是后台运行的。

我们可以输入：
./test &

就是代表的指定进程在后台运行，此时，+就不见了，所以，+号有代表的是进程是运行在前台，没有加号代表的是进程运行在后台，此时进程有一个特点就是进程是无法被ctrl + c干掉的，只能通过我们kill指令来杀死：

那么前台和后台的具体参照物是什么这里先不介绍，我们主要还是侧重状态。

那么什么是kil指令呢？kill指令翻译过来也就是杀死的意思，但是并不是完全的杀死，我们可以看看kill指令有哪些子指令：

可以看到不同的数字对应了不同的英文，我们在C语言阶段可以看到的是，一般宏定义就是全英，这里也差不多，不同的数字代表不同的意思而已，我们刚才使用的kill -9，SIGKILL，信号杀死，关于信号后面会另开一篇文章介绍，但是KILL我们是熟悉的，杀死！也就是杀死进程。

从kill我们可以引入第二个点了，T。

T表示的状态是stopped，即暂停，那么kill指令中的-19代表的就是暂停，所以我们看看：

此时就变成了T，至于为什么没有+号了，因为暂停了的进程就变成了后台运行的，这点不用太在意，这就是T，那么暂停了的进程我们想要它跑起来该怎么做呢？

18号指令，SIGCONT，也就是信号继续的意思，CONT就是continue的意思，所以就是信号继续，那么试试：

此时就变化了，所以T的意思就是暂停。

那么什么是t呢？

可以看到源码的意思是trace stop，代表追踪暂停，实际上就是当我们使用断点的时候，代表程序被暂停，所以就是t：

此时通过编译-g，生成二进制的可调试文件，我们开始调试，并打几个断点：

打了断点之后，进程信息里面并没有出现我们想要的东西，因为我们还没有r我们的程序：

r之后进程信息就变成了t，这就是T和t的不同之处，区别不大，总而言之都是暂停的意思。

接着我们介绍D，disk sleep：

这个点我们无法通过演示来观察，所以以文字叙述的方式来了解即可。D状态是Linux中的一个独特的状态，即深度睡眠，比如在内存里面，一个进程要给磁盘写入1GB的数据，那么磁盘写入需要时间吧？写完了还需要给进程说我写好了或者我没有写好，此时进程就等着了，那它也没事干，就睡觉呗，此时操作系统来了，操作系统有特权，即杀死进程或者回收进程的特权，它一来，看到这个进程在睡觉，就气不打一处来，一下子给人回收了，结果磁盘没有写入成功，就导致了1GB的数据丢失，那么老板为了不造成如上的数据丢失的情况，就将进程的状态设置为了D，深度睡眠，深度睡眠的一个特点就是不能被操作，杀死 回收都不可以，必须等磁盘来报告了，状态才改变，这就是D的由来。

好了，状态就介绍完了，接下来是僵尸进程和孤儿进程。

僵尸进程和孤儿进程

僵尸进程和孤儿进程，就可以“顾名思义”了，一个是僵尸，代表杀不死的，那么僵尸怎么形成的呢？即进程运行结束了，但需要维持自己的推出信息，直到父进程来读取，僵尸进程才会被回收，那么我们怎么看僵尸进程呢？

因为僵尸进程是没有父进程回收的子进程，所以我们只需要让父进程一直死循环即可：

  7   pid_t id = fork();
  8   if(id == 0)
  9   {
 10     int cnt = 5;
 11     while(cnt--)
 12     {
 13       printf("I am a child process,pid is %d\n",getpid());
 14       sleep(1);
 15     }                                                                                           
 16   }
 17   else
 18   {
 19     while(1)
 20     {
 21       printf("I am a parent process,pid is %d\n",getppid());
 22       sleep(1);
 23     }
 24   }

当5秒计数过去之后，此时子进程的状态就变成了Z+，也就是僵尸，那么后面跟着的defunct翻译过来就是无效的意思，本质上就是子进程的工作已经完成了，但是要等待父进程完成之后来回收自己，所以它要维护自己的退出信息，退出信息在task_struct里面，那么进程 = task_struct + 自己的代码和数据，变成了僵尸进程之后，代码和数据就用不到了，只需要管结构体就行了，那么如果没有父进程来回来这个僵尸进程，僵尸进程就会一直保持僵尸进程的状态。

那么僵尸进程的危害是什么呢？

内存泄漏！

你要知道，task_struct里面的变量可是很多很多的，根据结构体的内存对齐的规则，自然知道该结构体的大小是很大的，本来操作系统的资源就紧张，万一不小心给父进程杀死了，就没人管它，所以内存就泄露了。

孤儿进程，就是没有父进程的，我们将原来的代码改动一下，使得父进程先退出，子进程一直循环，因为父进程先退出是不用管什么东西的，那么子进程一旦没在父进程之前退出，就会变成了孤儿进程，但是并不是真正意义上的孤儿：

此时，孤儿进程的ppid变成了1，也就是1号进程操作系统来回收，虽说是孤儿进程，但是不能没有人来回收吧？

并且，孤儿进程是不能通过ctrl + c干掉的，只能被kill掉：

纯理论部分

这个章节主要介绍的是运行态，阻塞态，挂起态。

运行态：

对于运行态来说，我们常认为的，进程只要是被cpu执行了，那么就被成为运行态，但是在不同的操作系统的教材上，常常称进程如果在运行队列中也是运行态

head指针后面跟的就是不同的PCB，那么有个问题了，如果一个进程被cpu执行了，是否会等该进程执行完了才会到下一个进程？显然不是，如果是这样，那其他进程也别活了，我就来个死循环，其他进程全部完蛋，所以存在时间片的概念，简单来说就是给定时间，如果该时间内进程没有执行完毕，那这个进程重新到后面排队去，务必要保证其他进程的执行，那么现在埋一个伏笔，进程之间是如何切换的？

这是OS中的基本调度算法，但是Linux中并不是。具体的会在后面介绍。

那么就有了并行和并发的概念，多个进程在cpu这里来回切换以保证多进程的持续推进，叫做并发，一个进程也是可以在多个cpu之间运行的，这种情况叫做并行。

阻塞态：

阻塞？什么是阻塞？等待呗，例如我们调用了scanf函数，但是呢，我们为了作乐，就是不输入，那么操作系统总不能让一个一直等待资源的进程来骚扰自己吧？并且我们知道这种等待资源的进程可以用状态S来表示，即睡眠。

那么OS中是如何操作的呢？

我们首先需要认识一个问题，是只有Cpu才有运行队列吗？或者说只有cpu才有队列吗？

当然不是。

如果一个进程等待资源，比如键盘，那么在硬件中，驱动程序也会存在队列，叫做wait_queue。

注：该介绍都是基于Linux的原理部分，但是不代表是Linux的源代码。

wait_queue指向的是什么呢？同进程的链表一样，指向的是device，也就是硬件设备的PCB，源码中可以用define定义数字，表示该PCB是哪种硬件，也可以使用int stat，表示状态，比如定义是否在等待，数据是否输入完成。

那么这个过程，就是叫做阻塞态，即等待资源，有了数据，操作系统就会将对应数据重新拿过来排队，此时进程就从阻塞态变成运行态。

挂起态：

挂起态也是很有意思的，计算机中在磁盘会有一个分区叫做swap，交换的意思，用处是什么？

都知道操作系统的压力一般是比较大的，如果发现内存中的空间不够了，就会从内存中换出一部分资源到磁盘中的swap中分区中，此时进程就变成了挂起态，当然，不是说什么进程都是可以变成挂起态的，肯定OS层面会有一定的分析。

如果内存空间够了，就会从swap分区中拿过来对应的进程，当然，拿过去的只是进程的代码和数据，进程的PCB是不会拿过去的，因为进程的PCB需要记录信息。

swap的空间大小一般都是内存的1.5倍左右，肯定不会太大的，太大了操作系统一依赖这个分区，效率就会下降，本来换入换出就会导致效率下降了，如果更加频繁的换入换出，效率更低了，同算法不同的是，挂起态这里是效率换空间的做法。

挂起态也可以称为阻塞挂起态，因为进程本质上也是没有被调度的。

进程的优先级以及切换问题

切换：

进程的切换问题，在运行态中，进程的切换是肯定会有的，那么OS如何保证进程的数据不被丢失呢？

进程的PCB里面可以保存各种信息，那么在时间片到了的时候，task_struct里面会记录cpu中相应的寄存器的值，在下次轮到该进程的时候，就能接着进程的上次运行的结果接着来。

这是因为寄存器本身具有数据存储的能力，寄存器不等于寄存器中的内容是我们要知道的，官方一点来说，这是存储上下文数据，cpu寄存器存储的临时数据，就是进程对应的上下文，我们不必担心寄存器不够，寄存器可多着呢。

优先级：

优先级相信不用过多介绍同学们也知道为什么存在优先级，优先级如何判断。

优先级的存在就是为了公平，比如我们去排队，总得有个先后顺序吧，这就是优先级的作用，为了保证公平，那么优先级VS权限呢？

一个是已经拥有访问的权限，不过是时间问题，一个是不知道能不能访问，所以它两之间的比较就不多说了。

在PCB里面，总会有字段是用来描述优先级的，比如int prio，这个数字越小，代表优先级越大，具体参考进程1，代表的是操作系统，这优先级能不大嘛？

查看优先级我们需要top一下，ps -al也可以的，top之后，打开了一个类似于任务管理器的东西，其中PR代表的就是优先级的数字，Ni代表的是nice值，我们可以通过nice值来修改优先级的大小，当我们是普通用户的时候，优先级修改第二次就会报警告，除非我们是root用户才会让我们修改。

所有优先级 = PR + NI，这里的NI是有一定的取值范围的，是[-20,19]，如果我们修改NI为100，只会取19，不会超出去。

其中修改nice值也很简单，只需要nice或者是renice指令，因为很简单这里不介绍。

我们一般可以通过top进入到了任务管理器，然后按r，输入对应的pid，回车再输入对应的nice值即可。

这就是优先级我们要注意的内容。

感谢阅读！