[Linux打怪升级之路]-进程的状态

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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本期学习目标：理解操作系统下进程状态，Linunx下进程状态，认识僵尸进程和孤儿进程及进程的优先级和进程切换。

在学习进程状态的之前，我们先简单复习一下，什么是进程：进程其实就相当于进程控制模块(pcb)加上磁盘上的可执行程序。

一、操作系统下进程的状态

1、进程状态的分类

对于一个操作系统来说，他其实会有非常多种状态，但是最常见的还是就绪、执行、阻塞。

• 就绪：当进程已经分配好除CPU外的所以资源，只要再获取CPU后就能够马上运行。
• 执行：进程已经获得CPU，其程序正在被执行
• 阻塞：正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃CPU而处于暂停状态，亦即进程的执行受到阻塞，把这种暂停状态称为阻塞状态，有时也称为等待状态或封锁状态。比如进程当中调用wait()函数，会使得进程进入到阻塞状态。

但是为了满足一些操作系统的需求，就又出现了一些其他的状态：挂起状态、创建状态、终止状态。

对于挂起状态他是一种特殊的请求，下面简单聊聊为什么要有挂起状态：

(1) 终端用户的请求。当终端用户在自己的程序运行期间发现有可疑问题时，希望暂时使自己的程序静止下来。

(2) 父进程请求。有时父进程希望挂起自己的某个子进程，以便考查和修改该子进程，或者协调各子进程间的活动。

(3) 负荷调节的需要。当实时系统中的工作负荷较重，已可能影响到对实时任务的控制时，可由系统把一些不重要的进程挂起，以保证系统能正常运行。

(4) 操作系统的需要。操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账

而对于其他的二种状态：

• 创建状态：为一个新进程创建PCB（进程控制块，它是系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构，主要表示进程的状态），把该进程转入到就绪状态并插入到就绪队列之中。
• 终止状态：等待操作系统进行善后处理，然后将其PCB清零，并将PCB空间返还系统

二、Linux下的进程状态

前面我们说的哪些状态是所以操作系统进程状态的统称，下面我们来看看Linux这些状态是如何体现的；为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在 Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。 下面的状态在kernel源代码里定义：

/*
* 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。

进程状态查看：

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 'test'

由于在test.c文件中我们是用fork创建子进程的，也就是说在fork函数运行前只有父进程，而运行后就既有子进程也有父进程。我们知道如果进程创建成功，就将0返回回给子进程，将子进程的pid返回给父进程。这里我们就只打印出子进程，并休眠2秒。

这里我们观察到父进程一直在运行，而子进程反而处于休眠状态，这是为什么呢？

其实父子进程都在运行的，由于父进程不需要打印到屏幕中，也将不用调用外设资源。所以就处于运行状态，而子进程要打印到屏幕上，所以要调用外设资源，而CPU的运行速度是远大于外设的，所以cpu就会将子进程移除运行队列进行等待，子进程就进行休眠状态了。

这里我们要注意状态的上的+号，表示进程前台，这式我们在进程在跑的时候，输入指令是没有用的但是可以按ctrl+c强制将进程终止，但是如果我们把进程kill -9(杀死后在运行)，+号就会消失，我们也就变成了前台进程，这时候输入指令都是有用处的，但是我们就不能按ctrl+c让进程强制终止。

//暂停进程
kill -19 进程的pid
//进程继续
kill -18 进程的pid

下面我们继续来见一见进程的暂停和启动

那我们能见见死亡进程吗？

//杀死进程
kill -9 进程的pid

我们可以看到这里怎么没有子进程的状态变成X状态，反而变成了Z状态，这又是个什么状态呢？

其实这是是僵尸状态，下面我们一起来看看僵尸状态吧

三、僵尸进程和和孤儿进程

1、僵尸进程

改进程听起来好奇怪，其实他就是当子进程退出了，而父进程没退出，父进程要接受子进程的各种信息时，子进程存在的一种状态，已经死去了但是基本信息海存在等这父进程用wait()接受。

这里的test虽然被杀死了，但是我们在进程查看中还是能看到他的运行状态。

僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程（使用wait()系统调用,后面讲） 没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程 僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。 所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态。

** 僵尸进程危害**

• 进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎 么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态？是的！
• 维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话 说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护？是的！
• 那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构 对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！就会存在内存泄漏

2、孤儿进程

上面我们说到子进程退出，还有父进程可以回收子进程的信息，子进程只要维持僵尸状态等父进程来回收就可以了，但是如果父进程先退出了，那子进程退出后处于Z状态又该谁来回收呢？

有的，子进程这时候会被1号init进程（os)领养,在由1号init进程回收。

四、进程优先级

1、基本概念

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。
• 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。
• 还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整 体性能

我们先输入这个命令认识一下进程优先级：

ps -l

• **UID : **代表执行者的身份
• **PID **: 代表这个进程的代号
• **PPID **：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
• PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
• **NI **：代表这个进程的nice值

2、PRI and NI

这里我们要重点关注这二个标识，上面说了PRI他的值越小那么他进程的优先级就会越高，也就说他的进程会被CPU优先跑，而NI只要是可以影响PR从而影响进程的优先级。

总结：

• PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小 进程的优先级别越高。
• 那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值 PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：**PRI(new)=PRI(old)+nice (这里的old都是从80开始)**这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行 所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值 nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。
• 需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进 程的优先级变化。 可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据。

那么我们是通过什么来修改优先级的呢？

下面我们就用top命令来修改进程的nice:

当我们输入top + r +输入你要修改进程的pid回车后在输入你要修改nice的值是多少，但是我们输入-100时(这里的top要用sudo提权)：

这里的nice最低就修改为-20，因为我们不可能一直提供进程的优先级，这也要是有一个限度的。

3、其他的概念

• 竟争性: 系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高 效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级。
• 独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰。
• 并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。
• 并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为 并发。

这里我们重点来理解进程是怎么在CPU下进程切换的。

我们应该明白一个操作系统不可能就一个进程在跑，但是一CPU是只能一下完成一个工作的，那我们拿window操作系统来举例：我电脑上为什么既可以登QQ、微信、听歌，敲代码。这些我们都可认为是进程，难道这些进程都在跑吗？这显然不是的，那操作系统是如何做到呢?

这就要依靠进程切换了，一个CPU中不仅仅存在在PCB用来管理进程，还存在这大量可见和非可见的寄存器。那这些寄存器有什么用呢？进行对正在运行的进程，取指令、分析指令、执行指令(注意：**寄存器中的数据是属于但前进程)**。

假设操作系统现在有三给进程A,B,C都要跑，CPU会先根据这三个进程的进程优先级，决定那个进程先跑，假设A<B<C，那么C进程就会先跑，CPU中会有一个时间片，当C进程的时间片到了后就会换B进程跑，而且会把A进程跑的信息都会保存到PCB中(暂时可以怎么理解)，等下次轮到C进程跑的时候就继续上次的进程，这样就完成了进程的切换，也就是并发。