【Linux系统编程】进程概念（三）进程状态

1. 操作系统教材中的进程状态

别看图中写了很多状态，其实主要就是三种状态：运行状态、阻塞状态、挂起状态。

下面具体说说这三种状态。

1.1 运行状态

• 一个CPU对应一个运行队列，在该运行队列中的进程，遵循FIFO（先进先出）的原则，排在前面的进程先被运行。
• 凡是在这个队列中的进程，状态都是运行状态。

1.2 阻塞状态

当我们运行一个有scanf的C程序的，程序会卡在scanf那里，它需要键盘上面的数据才能运行，否则就会一直卡在这里，键盘是硬件，而操作系统是硬件的管理者，操作系统肯定不能一直等这个进程，它还有别的进程需要调度，所以操作系统就会把该进程先托管到该硬件上，等该硬件就绪，这里就是键盘数据输入完成，再把该进程重新加入到运行队列中。

int main()
{int a = 0;scanf("%d", &a);printf("a = %d\n", a);return 0;
}

• 阻塞与运行的本质：看你的task_struct在谁提供的队列中。

1.3 挂起状态

如果操作系统（OS）发现自己的内存空间不足了，那OS就会把一些进程的代码和数据交换到swap分区（磁盘），即swap out（换出），此时该进程处于阻塞挂起状态，如果这样做还是不行，LinuxOS就会选择性的杀掉特定的进程，等到OS发先自己的内存足够了就会把swap分区中该进程的代码和数据拿回来，即swap in（换入）。

• 磁盘中的swap分区存在的本质是用时间换空间。
• swap分区的大小一般是内存的1.5~2倍，不建议swap分区太大，这样会导致OS会过度依赖swap分区，只要有进程就把它的代码和数据交换到swap分区，而过度的swap out/in，会导致系统变慢。

2. Linux操作系统的进程状态

static const char *const task_state_array[] = {"R (running)", // 0，运行"S (sleeping)", // 1，睡眠"D (disk sleep)", // 2，磁盘休眠状态"T (stopped)", // 4，停止"t (tracing stop)", // 8，跟踪停止"X (dead)", // 16，死亡"Z (zombie)", // 32，僵死};

2.1 R运行状态

R运行状态：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么在CPU运行中，要么在CUP对应的运行队列里。

我们以下面的代码为例，讲解一下R运行状态。

#include <stdio.h>int main()
{while(1){}return 0;
}

运行结果：

我们看到该进程的STAT是R+，R就是运行状态，+表示该进程在前台，什么也没有表示该进程在后台，后面会讲前台和后台。

结合我们最开始讲的运行状态，思考一下为什么该进程处于运行状态？

因为该进程一直在死循环重复执行代码，占用CPU资源，并且它不满足访问外设，例如显示屏、键盘等，进入阻塞状态。

2.2 S睡眠状态

S睡眠状态（sleeping）：意味着进程在等待事件完成，同时也叫做可中断睡眠，浅度睡眠，即睡眠期间可以被唤醒，对应操作系统学科中的阻塞状态。

我们以下面的代码为例，讲解一下S睡眠状态。

#include <stdio.h>    int main()    
{    while(1)    {    printf("I am process\n");                                                                 }                                   return 0;                           
}   

运行结果：

我们看到该进程的STAT是S+，此时该进程就处于睡眠状态。

那么我们思考一下为什么该进程会处于睡眠状态？

由于我们一直用printf打印，要访问外设显示器，在写入显示器完成的一瞬间将其加入到运行队列，等待运行，此时该程序处于运行状态，只不过时间太短，我们很难查看到，之后再托管到显示器中进行写入，所以我们查看的时候一般都会显示该进程处于休眠状态。

但是如果是下面的程序，只要我们不在键盘中输入数据，该进程就一直处于睡眠状态。

int main()
{int a = 0;scanf("%d", &a);printf("a = %d\n", a);return 0;
}

2.3 磁盘休眠状态

D磁盘休眠状态（disk sleep）：也叫做深度睡眠，不可中断睡眠状态，Linux特有的状态，处于这个状态的进程通常会等待IO的结束，不响应任何请求，同时其也对应操作系统学科上的阻塞状态的一种特殊情况，处于深度睡眠的进程不可被信号，或者OS杀掉。

想象这样一个场景：一个进程正准备向磁盘写入一批重要数据。

1. 危机潜伏：磁盘的剩余空间可能不足以容纳这批数据，但进程并不知情，它发起了写入请求后，便进入等待状态，期盼着磁盘的“操作成功”回复。
2. 系统发难：恰在此时，操作系统发现内存资源告急，整个系统濒临卡顿。为了自救，它开始清理“占用资源却不干活”的进程。它一眼就看到了这个正在“悠闲”等待磁盘回复的进程，心想：“内存都快耗尽了，你居然还在空等？” 于是，操作系统手起刀落，强制终止了这个进程，并回收了其占用的所有内存，其中自然也包括那批等待写入的数据。
3. 磁盘的抉择：几乎在同一时间，磁盘正在处理写入请求。它发现空间确实不够，无法完成这个任务。磁盘心想：“这批数据太大了，我写不进去。但我剩余的空间还可以服务其他进程的小数据请求，不能让它堵在这里。” 于是，磁盘丢弃了这批无法写入的数据，转而处理其他任务。当它回过头来，准备给刚才的进程回复一个“写入失败”时，却发现——那个进程已经消失了。

结果：数据彻底丢失了。进程的数据在内存中被系统释放，在磁盘端又被丢弃。用户的重要资料就此不翼而飞。

责任在谁？

• 操作系统：为了保障系统整体稳定而清理资源，看似无可厚非。
• 磁盘：为了不阻塞其他任务而丢弃无法处理的数据，似乎也情有可原。
• 进程：只是一个等待结果的“受害者”。

这成了一笔糊涂账。但用户绝不接受这种结果，频繁的数据丢失将是灾难性的。

解决方案：引入“深度睡眠”状态

为了解决这一致命问题，深度睡眠状态应运而生。当进程在执行诸如关键数据写入这类不容中断的任务时，它会被标记为此状态。

一旦进入深度睡眠，进程便获得了一把“尚方宝剑”：

• 对操作系统的清理指令置若罔闻，即使是强大的 kill -9 信号也无法将其终止。
• 它仿佛进入了一个受保护的“结界”，其代码和数据会一直被保留在内存中，纹丝不动。

进程会一直维持这种“不死”的沉睡，直到它等待的事件发生——也就是磁盘确实给出了最终回复（无论成功与否）——它才会被唤醒并做出响应。

这样一来，在上述场景中，即使内存紧张，操作系统也无法杀死这个进程。磁盘在丢弃数据后发出的“失败”回应，最终也能顺利送达这个仍在等待的进程。进程收到回应后，便可以由内核将其正常唤醒和终止，或者尝试其他错误处理策略，从而从根本上避免了数据的无声丢失。

2.4 T停止状态

T停止状态（stopped）：可以通过发送SIGSTOP信号给进程来停止进程。这个被暂停的进程可以通过发送SIGCONT信号让进程继续运行。

#include <stdio.h>      
#include <sys/types.h>      
#include <unistd.h>      int main()      
{      while(1)      {      printf("I am process, pid：%d,ppid: %d\n", getpid(), getppid());      sleep(1);                                                                       }                                                             return 0;                                                     
}       

2.5 t追踪停止状态

t追踪停止状态（tracing stop）：在调试过程中的进程停止。

2.6 进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

• a: 显示一个终端所有的进程，包括其他用户的进程。
• x: 显示没有控制终端的进程，例如后台运行的守护进程。
• j：显示进程归属的进程组ID、会话ID、父进程ID，以及与作业控制相关的信息。
• u：以用户为中心的格式显示进程信息，提供进程的详细信息，如用户、CPU和内存使用情况等。

2.7 前台和后台进程

区分前后台进程：

谁能从键盘获取数据输入，谁就是前台。

键盘只有一个，所以在获取输入的时候，只能有一个进程在获取键盘数据。

前台进程任何时刻只能有一个，后台进程可以有很多个。
例如你自己的手机打开很多app，谁在你的屏幕上谁就是前台，其他的都在后台。

2.8 X死亡状态

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。

3 僵尸进程（Z僵尸状态）

僵尸进程（zombies）：子进程退出的时候，如果父进程没有主动回收子进程的信息，那么子进程会让自己一直处于Z僵尸状态，即对应子进程相关资源尤其是task_struct结构体不能释放。

我们以下面的代码演示一下僵尸进程。

#include <stdio.h>    
#include <sys/types.h>    
#include <unistd.h>    int main()    
{    printf("我是父进程：%d\n", getpid());    sleep(3);    pid_t id = fork();    if(id == 0)    {    //child    while(1)    {    printf("我是子进程：%d,我的父进程是：%d\n", getpid(), getppid());    sleep(3);    }    }    else    {    while(1)    {    printf("我是父进程：%d\n", getpid());    sleep(3);    }    } return 0;
}

输出结果：

每3秒打印一次状态。

杀死子进程，此时父进程还在运行，无法收回子进程中的信息，导致子进程处于Z僵尸状态。

3.1 僵尸进程的危害

1. 进程退出了，退出信息是什么？

main函数的返回值or收到的信号值，该信号值在该进程的task_struct结构体中。

2. 进程退出了，退出信息保存在哪里？

进程自己的task_struct结构体中。
w
3. 检测Z状态进程，回收Z状态进程，本质是在做什么？

获取子进程的退出数据。

4. 具体怎么回收？谁来回收？

父进程系统调用（OS）wait命令来回收子进程的信息。

5. 子进程必须回收！！！

假如有一个常驻进程一直在malloc空间，如果我一直不回收该进程，它就会一直处于Z状态，它就会占据大量内存空间，task_struck也不会被释放，从而导致内存泄漏。

如果对应的进程结束了，内存泄漏还在吗？

进程结束，系统会自动回收该进程，不会存在内存泄漏。但在实践中，进程一般都是死循环，即不会结束的，所以内存泄漏问题很重要。

4. 孤儿进程

孤儿进程：在父子进程中，父进程提前退出，子进程的父进程会被改为1号进程（操作系统），我们称该子进程被操作系统领养了，此时这个子进程（孤儿进程）就变成了后台进程，无法从键盘中获取数据，那么Ctrl + C就无法退出，只能用信号kill -9 PID将子进程杀死。

我们以下面的代码为例，讲解孤儿进程

#include <stdio.h>    
#include <sys/types.h>    
#include <unistd.h>    int main()    
{    // 创建子进程        pid_t id = fork();        if(id == 0)        {        //child        while(1)    {    printf("我是子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());    sleep(3);    }                                                                                                           }    else    {    //parent        int cnt = 5;    while(cnt)    {    cnt--;    printf("我是父进程, pid: %d, ppid: %d, cnt: %d\n", getpid(), getppid(), cnt);    sleep(3);    }    }    return 0;
}

父进程退出，子进程被1号进程领养，并变成后台进程。

后台进程无法获取键盘中的数据，所以Ctrl + C不能结束该进程。

使用信号kill -9 PID 杀死该进程。

为什么要被系统领养？

给孤儿进程退出进行善后，系统自动回收。