Linux第十三节 — 进程状态详解

        只要一个进程的PCB还存在内存当中，哪怕此时该进程对应的代码和数据已经在磁盘当中，此时依然认为该进程仍然存在！

一、Linux进程的运行状态R

接下来我们看下面这个例子：

当我们执行这个程序的时候，我们认为该进程的状态应该是R，即一直运行，但是实际上却是S！ 

如果我们此时将打印注释会变成什么呢？

 此时该进程则会一直变为运行态！

这是因为我们最初的代码包含printf函数，该函数需要访问我们对应的io设备，即显示器设备！此时设备不一致能直接进行打印，因此该进程很大概率需要等待！

R进程和R+进程的区别

1. R (Running/Runnable)
   表示进程处于可执行状态，即正在CPU上运行或位于运行队列中等待调度。此时进程可能是后台进程，无法直接通过Ctrl+C等终端信号中断。

2. R+ (Running & Foreground)
   在R的基础上，+符号表示进程属于前台进程组。这类进程可以接收终端的输入（如键盘信号），例如通过Ctrl+C终止或Ctrl+Z暂停。

一般默认的进程是在前台运行的，如果我们想要通过使用后台运行，可以在其增加&；

此时如果我们想要杀死后台程序，ctrl + c已经无效了，只能通过kill -9 来杀死；

二、Linux进程的睡眠状态S

Linux中具体的阻塞状态就是S状态！

上面两个代码对应的进程都需要从对应的IO设备获取相应的资源！ 

大部分的情况下bash命令行的状态也是S！

因为要等待资源输入！（等待键盘输入对应的指令！）

S也被称为浅度睡眠 --- 随时可以对外界的动作做出具体的反应：可以唤醒或者kill

三、Linux进程的深度睡眠状态D（disk sleep）

不可中断睡眠状态（D - Uninterruptible Sleep）（deepseek）

• 含义：进程因关键操作（如磁盘I/O）进入深度休眠，不响应任何信号 。
• 特点：
  • 常见于与硬件交互的短暂过程（如vfork后父进程等待子进程exit） 。
  • 无法通过kill终止，需等待操作完成或重启系统 。

        假如当前操作系统内有个进程 ，该进程需要往磁盘内写入1GB的数据；在磁盘拷贝数据期间，该进程没有其他事需要做，当此时操作系统内的空间特别紧张的时候，操作系统可能会杀掉该进程！最后磁盘写入数据后找不到进程或者直接导致数据丢失！

        因此出现了深度睡眠状态下的进程，此时该进程进入了不可杀的状态！

        即进程在等待磁盘写入的时候，此时的状态为D，也就是disk sleep；（也是阻塞状态的一种）

四、Linux进程的暂停状态T / t（stopped）

停止状态（T - Stopped）

• 含义：进程被信号（如SIGSTOP - kill-19）暂停执行，可通过SIGCONT (kill-18)恢复 。
• 场景：
  • 用户主动暂停进程（如Ctrl+Z触发SIGTSTP） 。
  • 调试器（如gdb）断点调试时 。

假如说我们有当前如上所示的进程和对应的程序：

可以通过相关的信号进行暂停和继续：

• kill -19可以暂停进程；
• kill -18可以恢复暂停；

注意点：当我们暂停后再恢复过来，此时该进程会变为后台进程，需要杀掉只能通过kill -9；

问题：一个进程处于暂停状态和一个进程处于运行状态，这两个有区别吗？

其区别主要如下所示：

1. 触发原因

• 停止状态（T/t）：
  由外部信号强制暂停，例如：

  • 用户发送SIGSTOP（暂停）或SIGTSTP（前台进程暂停，如Ctrl+Z）信号。
  • 调试器（如gdb）追踪时暂停进程（t状态） 。

• 睡眠状态（S/D）：
  进程主动等待资源或事件时进入，例如：

  • 等待用户输入（scanf）、磁盘I/O（S状态）。
  • 执行不可中断的硬件操作（如磁盘写入，D状态） 。

2. 唤醒方式

• 停止状态（T/t）：
  必须通过显式信号恢复（如SIGCONT），否则进程不会继续执行。

• 睡眠状态（S/D）：

  • S状态（可中断睡眠）：当等待的事件完成（如I/O就绪）时自动恢复，或通过信号（如SIGKILL）中断 。
  • D状态（不可中断睡眠）：仅当等待的硬件操作完成后自动恢复，不响应任何信号（包括SIGKILL） 。

暂停状态的应用场景

当我们通过gdb进行调试的时候，打完断点然后运行程序到断点处时，此时该进程的状态就为t（tracing stopped --- 追踪停止 --- 暂时可以将T和t当作是一种情况！）

五、Linux进程的死亡状态X（dead）

当我们杀掉一个进程的时候，该进程通常不会直接进入X状态，而是会经历一下的过程：

• X状态（TASK_DEAD - EXIT_DEAD）是进程完全终止且资源已释放的最终状态，但极其短暂，几乎无法通过ps命令观察到 。
• 被杀死（如kill -9）的进程通常先进入僵尸状态（Z），再短暂进入X状态后彻底消失。

因此接下来我们引入僵尸进程Z；

六、Linux进程的僵尸状态Z（zombie）

一个进程挂掉了，此时最关心该进程的应该是其父进程！

因此，如果父进程此时并没有正确的回收子进程的资源，此时该子进程就会变为僵尸进程！

（危害方面。虽然单个僵尸进程影响不大，但大量存在会占用进程ID，导致系统无法创建新进程。PID资源有限，系统默认32768个，僵尸进程过多可能引发问题。）

假设我们当前有如下的程序：

接下来我们补充一点C语言的知识：

exit()函数的作用是什么？exit(0)是什么意思？

•  exit()是C标准库中的一个函数，用于终止程序的执行，属于stdlib.h头文件；
•  exit()函数的作用是什么？它会让程序立即终止，同时清理所有打开的文件和缓冲区，然后返回状态码给操作系统。状态码通常用来表示程序是正常结束还是出现了错误。比如，返回0通常表示成功，非零值表示不同的错误类型。
• 需要注意的是，exit()和return语句的区别。在main函数中，return会调用exit()，所以效果类似，但如果在其他函数中，return只会返回，而exit()会直接结束整个程序。

        对于上面的代码，我们需要注意的是此时父进程并没有干扰子进程，和对其资源进行回收，我们仅仅是为了观察僵尸进程的状态！

情况一：我们直接运行该程序

我们可以发现当子进程运行到exit()后，其状态变为Z状态！（defunct指的是当前进程已经死亡，失效！）

进程一般退出的时候，如果父进程没有主动回收子进程的信息，子进程会一直让自己处于Z状态，此时进程的相关资源，尤其是task_struct结构体对象不能被释放掉！（会在内存中一直被占用！）

因为此时操作系统无法调用它，而它却一直占用着内存的资源，就会导致内存泄漏！

情况二：子进程运行完后将整个程序ctrl+c掉

此时ctrl+c之前：只有子进程变为僵尸进程，父进程没事！

之后，父子进程资源都被回收！

这里因为之后父子进程都被系统进行领养！

情况三：如果此时我们让父进程先退出

父进程运行5秒后直接退出，此时子进程继续运行！

运行的结果如下所示：

此时该子进程ppid直接变成了1！

 而PID对应编号为1的其实本身就是操作系统（systemd）！

因此此时我们可以得到结论：        

• 父子进程，父进程先退出，子进程的父进程会被改为1号进程(操作系统)；
• 父进程为1号的进程1 --- 孤儿进程！ --- 该进程被系统领养！

为什么被领养？

• 因为孤儿进程未来也需要退出，也需要进行释放资源！

bash只能回收对应的子进程的资源，而对于子进程创建的其他进程没有权限！因此操作系统更合适！

        操作系统组织task_struct不仅仅是简单的使用一个双向链表连接起来，有可能这个节点不仅在链表当中，还存放在哈希，多叉树当中！

拓展：Linux中的task_struct之间是如何彼此访问数据的？

当前对于一个task_struct类型，我们只有一个strart的指针，如何获取上面的数据呢？

将0初始化为(tast_struct)类型，然后指向link，其实求得的link在task的偏移量！此时指针相减即可获取到上面的地址！（大致思路）

七、进程的优先级

什么是优先级？

优先级（对于资源的访问，谁先访问，谁后访问的问题）vs 权限；

为什么需要优先级？

因为资源是有限的，进程是多个的，注定了进程之间是竞争关系！

操作系统必须保证进程之间良性竞争，因此需要优先级！

如果一个进程长时间得不到推进，表现上就像是卡死了(例如window下某个程序卡死)；

Vim进行批量化注释的操作：

• ctrl+v进行命令模式（左下角弹出V-BLOCK）；
• 按JKL选中区域(不能按上下)；
• shift + i切换到插入模式；
• 双斜杠//注释掉其中的一行；
• 最后esc；

取消批量化注释的操作：

• ctrl+v进行命令模式（左下角弹出V-BLOCK）；
• 按JKL选中区域(不能按上下)；
• 直接输入d；

如果我们想要查看进程的状态，可以通过ps -l / ps -al来查看：

命令	显示范围	输出格式	典型用途
ps -l	仅当前用户的进程	长格式（详细）	查看当前用户进程的详细状态
ps -al	所有终端上的进程（含其他用户）	长格式（详细）	查看终端关联的所有进程的详情

接下来我们每隔一秒循环打印一段话，然后查看该进程的状态：

• PRI这里指的就是进程的优先级！数字越小此时进程的优先级越高！
• NI: 代表这个进程的nice值，可以通过更改nice的值来更改优先级；
• UID指的是执行该进程的用户的ID（一般通过ls-ln即可查看到自己的用户ID）;

优先级可以被调整！如果我们一直大量的更改nice值，是否可以控制我们的进程几乎一直在被调度？

理论上是可以的，但是我们不支持这样子做！Linux不想过多的用户参与优先级的调整，因此，我们只能在我们对应的范围内进行优先级调整，nice：[-20,19] ;

默认的优先级是80,因此进程的优先级范围为[60,99]；

更改优先级

• top
• 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

这里我们需要注意的是：旧的PRI值每次都是默认的80！不会继承上一次我们修改的值！

上面是Linux调用优先级的思想方法：

        当前CPU会根据运行队列调用进程，其中有两个指针数组：task_struct* running和task_struct* watting，数组的元素大小都为140个，这是因为进程优先级相关的前[0,99]是其他进程使用的，只有[100,139]供普通用户使用；

        其中running这个数组会指向我们需要运行的PCB，其中PRI值相同的进程会连接在一起，正好40个优先级范围对应40个数组的空闲位置；

        但是当该进程被运行的时候，又会有新的进程可能连接到后面需要被运行，因此操作系统也指定了一个waiting队列，，当running内的进程被运行的时候，新的进程插入到waiting当中，然后当running运行完了之后，再通过swap（&run，&wait），使得running一直为运行队列，waiting一直为等待队列！

如果一个运行队列运行完我们该怎么判断呢？

这里我们可以通过位图：char[5]，正好是40个比特位；

如果该进程未被运行完设置为1，运行完则设置为0；

通过该思想即可控制进程之间的优先级！