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Linux系统编程Day11 -- 进程状态的优先级和特性

news 2025/9/30 18:11:31

     往期内容回顾

        进程属性和常见进程

        进程管理

        理解计算机的软硬件管理

前言

进程是操作系统资源管理和任务调度的基本单位。进程管理的核心目标是协调多个进程的运行，确保系统高效、稳定地工作。了解进程的状态变化和优先级机制，有助于理解操作系统如何调度任务，实现多任务并发。

本文将深入介绍进程的常见状态及其含义，阐述进程优先级的分类与调度作用，帮助读者全面掌握进程管理的基础知识。

主要内容介绍

回顾进程的常见状态
进程状态的生命周期及状态转换
进程优先级的分类
优先级调度的基本策略

一、回顾进程常见状态

进程在其生命周期中会经历多个状态，每个状态反映进程当前的执行情况或等待条件。操作系统根据这些状态来管理进程调度。参考：进程属性和常见进程

1. 新建（New）

进程刚被创建，系统正在为其分配资源，尚未进入就绪队列。

2. 就绪（Ready）

进程已具备运行条件，等待CPU分配。进程虽然不能立即运行，但已准备好执行。

3. 运行（Running）

进程获得CPU，正在执行指令。

4. 阻塞（Blocked / Waiting）

进程因等待某些事件（如I/O操作、信号等）而暂停执行，无法继续运行，直到等待条件满足。

5. 挂起（Suspended）

进程被操作系统临时暂停，可能因资源紧张被换出内存，等待重新调入。

6. 停止（Stopped）

进程被用户或系统信号暂停，不再接受CPU调度，等待恢复。

7. 僵尸（Zombie）

进程执行结束，但其父进程尚未回收退出状态，系统保留部分进程信息。

测试僵尸进程
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main(){pid_t id = fork();if(id == 0){ while(1){printf("Child Process and  PID = %d, PPID = %d, id = %d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(5);exit(-1);}   }   else if (id > 0) {while(1){printf("Father Process and  PID = %d, PPID = %d, id = %d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(1);}   }   }
这里我们建立一个子进程和一个父进程，其中我们终止子进程，让父进程继续运行。

同时我们写了一段脚本来监视该程序运行时的进程
while :; do ps ajx | head -1 | ps ajx | grep 你的程序名 | grep -v grep | sleep 1; done
运算程序，然后运行监视脚本。

输出结果：

Father Process and PID = 160081, PPID = 159876, id = 160082

Child Process and PID = 160082, PPID = 160081, id = 0

Father Process and PID = 160081, PPID = 159876, id = 160082

Father Process and PID = 160081, PPID = 159876, id = 160082

你会发现，很快子进程退出了，只显示父进程在执行,并且子进程显示为僵尸进程z+ <defunct>。

8、孤儿进程（Orphan）

父进程终止后，子进程依然运行，由操作系统将其“收养”并挂载到init进程下

测试孤儿进程
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main(){pid_t id = fork();if(id == 0){ while(1){printf("Child Process and  PID = %d, PPID = %d, id = %d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(1);}   }   else if (id > 0) {while(1){printf("Father Process and  PID = %d, PPID = %d, id = %d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(1);}   }   }
这里我运行这段代码并且监视它们的进程

这是运行中的两个进程：其中 PID 161470 是父进程， 161471是子进程，此时如果我们kill掉父进程会如何呢？
kill -9 161470
此时它的父进程被回收了，而子进程仍然在运行，且它的父进程变为pid 1

那么谁是pid = 1的进程呢？

pid = 1 其实对应的是我们的操作系统。则孤儿进程被操作系统领养了。且前台创建的子进程如果变成了孤儿进程，则进程将会变成后台进程，且无法被 ctrl+c停止掉。

二、进程状态生命周期及转换

进程状态之间可以互相转换，典型的状态流转为：

新建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 就绪 → 运行 → 终止（包括僵尸）

调度程序根据调度算法在就绪和运行状态间切换进程。
进程等待I/O等事件时进入阻塞状态。
进程结束后进入终止状态，若父进程未回收则成为僵尸。

三、进程优先级

优先级是操作系统用来决定进程调度先后顺序的重要依据。优先级高的进程通常优先获得CPU资源（权限是决定你能不能做，优先级决定你的顺序，前提你有权限）。

1. 为什么需要优先级

资源有限：CPU 同时只能执行一个进程（单核情况下），需要排队。
任务紧急程度不同：
- 比如视频播放需要实时处理（高优先级）
- 后台下载文件可以等一等（低优先级）
提升系统响应：让重要或紧急任务更快运行。

2. Linux 中的优先级

在 Linux 中，优先级有两种相关概念：

静态优先级（Static Priority）
- 范围一般是 0139（099 为实时进程，100~139 为普通进程）
- 实时进程优先级固定，不会随运行调整。
Nice 值（用户可调）
- 范围：-20（最高优先级） ~ 19（最低优先级）
- 普通用户可以调高自己的 Nice 值（降低优先级），但不能降低 Nice 值（提高优先级），除非是 root。

3、查看进程的优先级

利用 ps -la 查看当前用户运行的进程，然后可以看到PRI这个字符代表的是priority《优先级》，NI 则代表的是nice值，最终优先级 = 老的优先级 + nice值。
# 查看所有进程的优先级和 nice 值
ps -eo pid,comm,pri,ni
# 启动进程时设定 nice 值（降低优先级）
nice -n 10 my_program
# 修改已有进程的 nice 值
renice -n -5 -p 1234  # 需要 root 权限

四、进程的几个重要特性

1. 竞争性（Competition）

定义：多个进程争夺有限的系统资源（CPU、内存、I/O、网络带宽等）的现象。

系统资源有限，所以不能让所有进程同时无限制运行。
竞争会引发调度、优先级、锁机制等问题。
例子：
- 两个程序都想写同一个文件（可能需要加文件锁）
- 多个任务都需要 CPU 时间

与调度的关系：调度器要解决这种竞争，让系统既高效又公平

2. 独立性（Independence）

定义：进程拥有自己独立的资源（内存空间、寄存器状态、文件描述符等），即便在同一系统运行，也互不干扰。

一个进程崩溃不会直接破坏另一个进程（除非它们通过共享资源或 IPC 交互）。
独立性保证了多任务系统的稳定性和安全性。

例子：

你在终端编译代码（gcc 进程）时，播放器（vlc 进程）也在放音乐，它们的内存和状态互不干涉。

3. 并行（Parallelism）

定义：物理上的同时执行。

需要多核 CPU 或多台计算机（分布式计算）。
不同的进程（或线程）真的在同一时间运行在不同的处理单元上。

例子：

4 核 CPU 同时运行 4 个计算任务，各用一个核心。
超算集群同时处理成千上万的任务。

4. 并发（Concurrency）

定义：逻辑上的同时执行（实际上是交替执行，但速度足够快，看起来像是同时执行）。

常见于单核 CPU 通过时间片轮转来切换任务。
每个进程只运行一小段时间，然后操作系统切换到另一个进程。

例子：

单核电脑同时下载文件、听音乐、打字——其实是 CPU 快速切换在不同进程间执行。

5. 对比与联系

概念	核心含义	需要多核？	例子
竞争性	抢资源	否	多个进程抢 CPU
独立性	互不干扰	否	终端编译与播放器
并行	物理同时	是	4 核同时跑 4 任务
并发	逻辑同时	否	单核快速切换

┌─────────────────────────────────────┐
│ 进程特性 │
│ │
│ 竞争性 → 抢资源 │
│ 独立性 → 各自运行，不互干扰 │
│ 并行 → 多核同时执行 │
│ 并发 → 单核快速切换，假装同时执行 │
└─────────────────────────────────────┘