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前言

在Linux系统下，系统通过PCB的方式管理进程（struct_task），在进程还未获得CPU资源时处于等待就绪状态，排队依次被CPU执行。在本文中我们将会了解到进程还有哪些状态，以及Linux系统下的实现方式是什么样的。

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一、操作系统学科下的进程状态

1.1 运行状态

处于运行队列中的进程，进程获得CPU资源并正在执行指令的状态。在单核系统中，任何时刻只有一个进程处于运行态。

• 时间片轮转机制：
  现代操作系统通过时间片（Timeslice）实现多任务并发。每个进程获得CPU的时间单位为毫秒级（通常5-100ms），当时间片耗尽时，进程会被强制放回运行队列尾部重新排队。
• 并发与并行：
  在单核CPU中，通过快速切换时间片实现并发执行；多核CPU则能实现真正的并行执行。例如4核CPU可同时有4个进程处于运行态。
• 运行队列管理：
  所有就绪态的进程PCB（Process ControlBlock）存储在运行队列（Runqueue）中，调度器根据优先级选择下一个执行的进程。

1.2 阻塞态

进程因等待外部事件（如I/O完成、资源就绪）而暂停执行的状态。此时进程不占用CPU，主动释放资源进入阻塞队列

在c语言学习阶段，scanf这种等待输入情况就是我们遇到的阻塞状态。

1.3 挂起态

挂起态是特殊的阻塞状态，当系统内存不足时，内核会将部分进程的映像交换到磁盘交换区（Swap）。该状态特点：

• 进程的代码和数据被移出物理内存
• 仅保留PCB在内存中
• 需要换入（Swap in）才能恢复执行

二、Linux系统下的进程状态

操作系统的理论与实现并不一样，不同的操作系统有着不同的实现方式。

/*
* 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 */
};

1.1 运行态观察

// running.c
int main() {while(1);  // 无限循环
}

1.2 S阻塞、浅度睡眠状态

阻塞的本质就是在等待某种资源就绪,
典型场景：vim编辑scanf，scanf等待时，进程进入了S+阻塞状态，在等待键盘的输入准备，当输入完毕按下回车的一瞬间，进程变为R运行状态运行完毕。实际上，有很多进程都是阻塞状态，都需要等待诸如键盘、鼠标或磁盘等外设是否准备好资源。

1.3 D深度睡眠状态

典型场景：等待磁盘写入，进程不能被系统杀死。不响应任何请求

1.4 S停止状态

进程被信号暂停（如Ctrl+Z）

1.5 X死亡状态

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。

1.6 Z(zombie)-僵尸进程（重要）

父进程不回收子进程，子进程运行完了会进入僵尸进程状态，导致内存泄漏。在父子关系进程中，如果父进程先退出，父进程会被改成1号进程（被操作系统领养），子进程成为了孤儿进程，被系统领养。因为孤儿进程也要被回收，只能托孤给操作系统，等孤儿进程结束，会释放内存。
2案例2：僵尸进程生成

 // zombie.c
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {   // 子进程exit(0);      // 立即退出} else {          // 父进程sleep(60);    // 不回收子进程}return 0;
}

僵尸进程的危害：
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！
内存泄漏?是的！

三、进程优先级

3.1 概念

进程优先级概念：在对于资源的访问时，规定了谁先访问，谁后访问
文件权限：有没有权限访问

如果一个进程长时间得不到CPU资源，进程的代码长时间无法得到推进，导致进程的饥饿问题（windows下的未响应）。因此，操作系统需要保证进程之间的良性竞争需要确认进程的优先级。

3.2 Linux如何设计优先级调度呢？

1. 查看优先级

ps -al | grep -1 && grep myproc

PRI优先级：最终优先级值，范围60-99（值越小优先级越高）

NI（nice值）：进程优先级的修正数据。该数据意味着进程优先级是可以被修改的，实际上不能任意或过多的修改进程优先级 ，在Linux中，nice值是有范围的[-20~19]对应了四十个级别的优先级，所以优先级最高最低位（60,99）。

计算公式： PRI(new) = PRI(old) + NI

2. 调整优先级

$ nice -n -5 ./myprogram  # 启动时设置NI为-5
$ renice -10 -p 1234      # 修改PID为1234的进程 NI值为-10

3.3 操作系统如何根据优先级展开调度呢？

在Linux中，每个进程都有一个优先级，Linux使用一个包含40个不同级别的位图来管理进程的优先级。该位图称为"nice"值位图，它用于确定进程在被调度时的优先级。在Linux中，nice值的范围通常为-20到+19，其中-20表示最高优先级，+19表示最低优先级。

每个进程的nice值位图中的每一个位代表一个特定的优先级级别，如果某个位为1，则表示该进程对应的优先级级别可用，如果为0，则表示该优先级不可用。通过设置nice值，可以调整进程在系统中的优先级，以便进行合理的资源分配和任务调度。

位图：Linux内核O(1)调度算法。

其他概念
竞争性：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；（进程切换 + 时间片限制 = 基于进程切换时间片轮转的调度算法）
但高优先级被轮换下次又将进入第一位执行，那这样是不是也耽误了其他进程的执行？（维护两批队列，执行队列和等待队列，高优先级进程被切换至等待队列，这样一来就避免了高优先级进程插队的现象）

3.4 那么切换进程后再次回来的时候如何定位？

CPU内部存在大量的寄存器，寄存器堆具有临时保存进程相关数据的能力，存储的是进程的上下文数据，进程在从CPU上离开的时候，要将自己的上下文数据保存起来，以便再次执行的时候恢复到上一次的执行位置。在往后可能涉及中断等知识，这里不再叙述了。

当进程切换发生时，CPU需要完成以下操作：
1.保存当前进程的寄存器状态到PCB
2.加载新进程的寄存器状态
3.更新内存管理单元（MMU）的页表
4.刷新TLB缓存

为什么函数的返回值会被外部拿到呢？
通过寄存器拿到

系统如何得知我们的进程当前执行到哪一行呢？
程序计数器 （PC指针 / EIP）：记录当前进程正在执行的指令的下一行

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总结

通过本文的学习，读者应该能够全面理解Linux进程状态转换机制，并掌握基本的进程管理技巧。

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