【Linux进程】进程状态 {进程状态的介绍，进程状态的转换，Linux中的进程状态，浅度睡眠VS深度睡眠，僵尸进程VS孤儿进程，调度器的作用}

进程状态

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一、基本进程状态

1.1 进程状态介绍

  • 创建状态：当一个进程被创建时，它处于创建状态。在这个阶段，操作系统为进程分配必要的资源（将代码和数据拷贝到内存，创建PCB结构体等），并为其分配一个唯一的进程标识符（PID）。

  • 就绪状态：在就绪状态下，进程已经准备好执行，但还没有被调度到CPU上运行。在阻塞状态下，进程会被调度到就绪队列，等待操作系统的调度器将其分配给一个可用的CPU。

  • 运行状态：进程PCB被调度到CPU运行队列中排队，就叫做运行态。在这个阶段，进程的指令会被执行，它可以访问CPU和其他系统资源。只有运行状态下的进程才能占用CPU资源。

  • 阻塞状态：当一个进程无法继续执行，因为它需要等待某些非CPU资源就绪时，它会进入阻塞状态。这些事件可能包括等待用户输入、等待磁盘I/O操作完成等。在阻塞状态下，进程会被调度到阻塞队列，不会占用CPU资源。只有当进程所等待的非CPU资源就绪后，进程才会从阻塞队列调度到就绪队列（就绪状态），然后再次被调度到CPU上执行。

  • 挂起状态 ：当内存不足时，如果一个进程长时间不执行或者处于低优先级状态，操作系统可能会将其代码和数据置换出内存并存储到磁盘上的swap分区中。其PCB（进程控制块）仍然存在于进程表中。这是因为挂起状态只是进程的一种状态，表示进程暂时无法执行，但仍然需要保留进程的信息以便后续恢复执行。这样可以释放内存资源，给其他优先级较高的进程提供更多的执行机会。这些被置换到磁盘中的进程的状态就叫做挂起。

  • 终止状态：当进程完成其任务或被操作系统终止时，它进入终止状态。在这个阶段，进程可以释放所有已分配资源，并从系统中移除。

1.2 进程状态转换

进程的状态转换由调度器负责管理，进程的状态转换通常遵循以下模式：

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  1. 创建 -> 就绪：进程被创建并准备好执行。
  2. 就绪 -> 运行：进程被调度到CPU上执行。
  3. 运行 -> 阻塞：进程需要等待某些事件的发生，无法继续执行。
  4. 阻塞 -> 就绪：等待的事件发生后，进程可以继续执行。
  5. 运行 -> 终止：进程完成其任务或被操作系统终止。

阻塞状态转换的整个过程可以详细解释如下：

  1. 当一个进程在执行过程中遇到了某些阻塞事件，例如等待用户输入、等待磁盘读写等，它会发出一个阻塞请求，将自己的状态标记为阻塞状态。
  2. 操作系统会将该进程从运行状态转换为阻塞状态，并将其从CPU运行队列中移除，使其暂停执行。
  3. 在阻塞状态下，进程会被放入阻塞队列中等待阻塞事件的发生。一旦阻塞事件发生，操作系统会将进程的状态从阻塞状态转换为就绪状态。
  4. 当进程的阻塞事件发生后，操作系统会将其重新放回就绪队列中，等待CPU的调度。
  5. 一旦进程被调度到CPU上执行，它的状态将从就绪状态转换为运行状态，开始继续执行。

总结起来，阻塞状态转换的过程包括从运行状态到阻塞状态的转换，等待阻塞事件发生，然后从阻塞状态到就绪状态的转换，最后再从就绪状态到运行状态的转换。这个过程允许操作系统在进程遇到阻塞事件时暂停其执行，并在事件发生后恢复执行。这种调度方式可以提高系统资源的利用率，确保CPU资源被合理分配给处于就绪状态的进程。

需要注意的是，不同的操作系统可能会有不同的状态命名和状态转换方式，但通常都会包含上述基本状态。

二、Linux中的进程状态

上面介绍的基本进程状态是理论上一个进程所具有的状态。其为操作系统的进程状态设计提供了理论依据。

但实际上不同的操作系统为实现上述的理论会设计不同的进程状态。下面介绍的是Linux中的进程状态：

2.1 进程状态介绍

内核源码：

/*
* 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状态：运行或就绪状态

  • S状态：可中断睡眠状态（阻塞、挂起），即睡眠状态可以通过发送信号等方式被动唤醒，或由操作系统直接中断。

  • D状态：磁盘睡眠状态（IO阻塞、IO挂起），不可被动唤醒，不可被中断

  • T状态：信号暂停状态，表示进程被暂停，并且可以通过信号来暂停或恢复进程的执行：-19暂停，-18继续。

  • t状态：调试暂停状态，表示进程被调试器（如gdb）跟踪调试，并且暂停了进程的执行。通常是由于调试器设置了断点或执行了单步调试操作而进入的状态。

  • Z状态：僵尸状态（终止），是指一个已经终止的子进程，但其父进程尚未获取子进程的退出状态。僵尸进程不会占用系统资源，因为它们已经终止并释放了大部分资源。僵尸进程只在进程表中保留一条记录，以便父进程在需要时获取子进程的退出状态。

  • X状态：终止状态，瞬时性非常强

2.2 进程状态转换

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2.3 浅度睡眠(S) VS 深度睡眠(D)

在Linux中，进程的S状态和D状态是两种不同的状态。

  1. S状态（Sleeping）：表示进程正在等待某个事件的发生，例如等待I/O操作完成、等待信号量等。在S状态下，进程是可被调度的，即可以被操作系统调度执行其他任务。
  2. D状态（Uninterruptible Sleep）：也称为不可中断睡眠状态，表示进程正在等待某个事件的发生，但是在此期间不可被中断。通常情况下，D状态是由于进程正在等待磁盘I/O操作完成而引起的。在D状态下，进程是不可被调度的，即操作系统无法将其切换到其他任务上执行。

总结起来，S状态表示进程正在等待某个事件的发生，但是可以被调度执行其他任务；而D状态表示进程正在等待某个事件的发生，但是在此期间不可被中断，无法被调度执行其他任务。

举个栗子：
当服务器压力过大时，OS会通过一定的手段终止一些进程，起到节省资源的作用。此时访问磁盘的进程如果为S状态就可能被OS杀掉，从而导致数据丢失。所以进程访问磁盘时，为了防止进程异常终止而造成的数据丢失等问题的出现，该进程会被设置D状态。D状态下的进程不能被OS终止，只能等该进程得到磁盘读写结果后自动唤醒。

S状态测试：

int main{while(1){//如果循环体为空，则查到的进程状态为R+cout << "hello world!" << endl; //如果循体中涉及IO，则一般查到的进程状态为S+}return 0;
}
  • 与CPU的运行速度相比，IO过程所用的时间要多得多，所以该进程多数时间是在阻塞队列中等待IO，因此查到的状态为S
  • 状态标识后的+号，表示该进程为前台进程，前台进程占用命令行解释器，即进程运行过程中bash不能继续接收命令。
  • ./ test.out &在运行命令后加&，可以使程序后台运行，同时返回进程号和进程PID。

运行结果：

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2.4 僵尸进程(Z) VS 孤儿进程

  • 僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当子进程退出并且父进程没有读取到子进程退出的返回代码时（使用wait()系统调用）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的退出状态，子进程就会进入Z状态

Z状态测试：

int Test1(){    pid_t id = fork();    if(id < 0)    {    //创建失败                                                                       cerr << "fork" << endl;    return 1;    }    else if(id == 0)    {    //子进程暂停3s后终止cout << "I'm child process, ";    cout << "pid:" << getpid() << " ";    cout << "ppid:" << getppid() << endl;    sleep(3);  return 0;    }    else{    //父进程死循环    while(1)    {    cout << "I'm parent process, ";cout << "pid:" << getpid() << " ";cout << "ppid:" << getppid() << endl;sleep(1);}return 0;}
}

运行结果：

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僵尸进程危害

  • 僵尸进程的退出状态必须被维护下去，维护退出状态本身就是要用数据维护，也就是说僵尸进程的PCB不能回收。
  • 内存中的PCB如果不及时回收，会造成内存泄漏，导致操作系统内中的可用资源越来越少。
  • 僵尸进程本身不会占用系统资源，但如果大量的僵尸进程积累，会占用一定的进程表项和内核资源，因此及时回收僵尸进程是很重要的。
  • 一个用户能创建的进程是有限的，僵尸进程过多，会导致创建新的子进程失败等诸多问题。

孤儿进程

  • 如果父进程提前退出，那么此时未退出的子进程就被称为”孤儿进程“
  • 孤儿进程会被1号init进程领养，当然要由init进程回收喽。
  • 为什么要被领养？ 答：未来子进程退出，原先的父进程早已不在，需要领养进程将其回收。

测试代码：

int Test2(){    pid_t id = fork();    if(id < 0)    {    //创建失败    cerr << "fork" << endl;    return 1;    }    else if(id == 0)    {    //子进程死循环    while(1)    {    cout << "I'm child process, ";    cout << "pid:" << getpid() << " ";    cout << "ppid:" << getppid() << endl;    sleep(1);    }    return 0;    }                                                                                                                              else{    //父进程暂停3s后终止   cout << "I'm parent process, ";    cout << "pid:" << getpid() << " ";    cout << "ppid:" << getppid() << endl;    sleep(3);return 0;}
}

运行结果：
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注意：子进程变为孤儿进程后，会从前台进程转为后台，所以此时的Ctrl c无法终止子进程。

三、你问我答

3.1 简单介绍一下进程表、运行队列、就绪队列、阻塞队列

进程表、运行队列、就绪队列和阻塞队列是操作系统中用于管理进程的重要数据结构。它们的作用和功能如下：

  1. 进程表：进程表是操作系统中维护的一个数据结构，用于记录系统中所有进程的相关信息。每个进程都在进程表中有一个对应的表项，包含进程的标识符、状态、优先级、资源占用情况等信息。进程表提供了对进程的管理和调度的基础。

  2. 运行队列：运行队列是一个数据结构，用于存放当前正在运行的进程。只有运行队列中的进程才能占用CPU资源。在多道程序设计环境下，操作系统通过运行队列来管理和调度进程的执行顺序。运行队列通常是以多级反馈队列的形式存在，根据进程的优先级和调度策略来决定进程的执行顺序。

  3. 就绪队列：就绪队列是一个数据结构，用于存放处于就绪状态的进程。就绪队列中的进程已经完成了所需的非CPU资源的等待，可以立即被调度到CPU上执行。就绪队列通常是以优先级队列的形式存在，根据进程的优先级来决定进程的调度顺序。

  4. 阻塞队列：阻塞队列是一个数据结构，用于存放处于阻塞状态的进程。阻塞状态的进程正在等待某些非CPU资源就绪，无法继续执行。阻塞队列通常是以链表或队列的形式存在，用于管理处于阻塞状态的进程，并在资源就绪后将其移出阻塞队列，放入就绪队列等待调度。

这些数据结构共同协作，帮助操作系统有效地管理和调度进程，以实现进程的并发执行和资源的合理利用。

就绪队列 VS 运行队列：
就绪队列是存放处于就绪状态的进程或线程的队列，而运行队列是存放当前正在运行的进程或线程的队列。就绪队列中的进程或线程等待调度器的选择，而运行队列中的进程或线程正在占用CPU资源执行任务。

3.2 操作系统调度器的作用有哪些？

操作系统调度器的作用是决定哪个进程获得CPU的执行时间，并管理进程的状态转换。它负责从就绪队列中选择一个进程分配CPU资源，以实现多任务并发执行。

具体来说，操作系统调度器的主要作用包括：

  1. 进程调度：调度器根据调度算法和策略，从就绪队列中选择一个进程分配CPU资源，使其开始执行。调度器可以根据不同的调度算法，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、时间片轮转等，来决定进程的执行顺序。

  2. 进程状态管理：调度器负责管理进程的状态转换。它将新创建的进程放入就绪队列，将正在执行的进程放入运行队列，将等待某些事件或资源的进程放入阻塞队列。当进程等待的事件或资源就绪时，调度器会将其从阻塞队列转移到就绪队列中，以便继续执行。

  3. 资源管理：调度器需要管理和分配系统资源，如CPU时间片、内存空间、设备等。它根据进程的优先级和资源需求，合理分配和调度资源，以提高系统的效率和性能。

  4. 响应时间控制：调度器需要保证系统对用户请求的响应时间。它会根据用户的优先级和请求类型，合理分配CPU资源，以确保及时响应用户的操作和请求。

总之，操作系统调度器的作用是通过合理的进程调度和资源管理，实现多任务的并发执行，提高系统的效率和性能。

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