Linux操作系统：学习进程_了解并掌握进程的状态

  对进程状态之间转换感到头疼，只听书本概念根本无法理解，死记硬背不是什么好的解决方法。只有进行底层操作去了解每一个进程状态，才能彻底弄清楚进程状态是如何转换的。

一、进程的各个状态

  我们先从Linux内核数据结构来看：

  每一个进程都是有其task_struct和它的代码和数据组成的，进程的状态被定义在task_struct里面，是其中的一条属性，进程状态改变修改这条属性就可以了。

在Linux内核里，这些状态被定义在一个数组里：

 /*

* 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 */

};                 

  为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在 Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。

• R运行状态（running）: 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。
• S睡眠状态（sleeping): 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠 （interruptible sleep））。
• T停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）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。
• D磁盘休眠状态（Disk sleep）有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的 进程通常会等待IO的结束。
• 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。

1、R运行状态

  我们写以下代码：

  死循环，方便我们时刻查看进程的状态

左边查看进程的状态，右边执行可执行程序 

  在状态栏里，我们能够看出，此时进程的状态是R+-运行状态 ，这里的+表示在前台运行

  这个比较容易理解。

2、S睡眠状态

2.1进程等待资源就绪

我们打开刚刚写的代码，在while循环里加上一个printf接口，打印我们的进程PID

  接着，我们再在左边打开我们的查看进程状态的窗口，右边执行可执行程序

  但是这次进程的状态，不再是R运行状态，而是S睡眠状态。

  这里的原因是，这次的代码中有打印接口，会将打印的数据打印到我们的显示器上，但是CPU运算速率很快，而将打印数据传输到我们的显示器上的速度比较慢，和CPU的运算速率不在一个层次上，所以在很大一段时间内，CPU都在等待数据传输到显示器上，等待过程中，就是进程的睡眠状态。所以这时候会显示进程睡眠状态。

  显示器是外设，也就是外设资源，所以呢，我们把这种情况叫做：进程等待资源就绪

2.2可中断睡眠

  我们修改代码，再让他打印前先睡10s

前10s,进程没有打印数据，但仍然是睡眠状态

  这时我们可以ctrl+c终止进程 

  ctrl之后，进程退出，睡眠状态结束。

  所以我们把这种状态又叫可中断睡眠 

3、T/t停止状态

  写出以下代码：

我们运行并查看进程状态：

 这时候是睡眠状态，屏幕中仍在打印着。

 那我们有没有办法把它暂停，我们可以指令kill -19使其暂停，使用之前，我们先来看看kill 都有哪些指令：

  指令有很多，现在只用了解三个，有我们常用的kill -9杀死进程指令，也有我们接下来要用到的，kill -18 唤醒进程，kill -19 暂停进程 。

   我们用kill -19 指令暂停进程   可以看到，进程状态由S变为了T。

   再使用kill -18 唤醒进程

  进程状态又由T变成了S。

4、D磁盘休眠状态

  先描述一个场景：内存中有一个进程，我现在要把这个进程中的一部分数据存到磁盘当中，大小为1GB，这个数据很重要。在传输时，该进程状态会设置成睡眠状态S.但是在传输的过程中，内存空间严重不足了。

  操作系统管理着所有进程，在内存严重不足的时候，我们的操作系统有权利对进程进行杀死来释放空间，操作系统此时看到这个进程在睡觉，直接把它杀死了。那数据没有传输完成，结果导致这么重要的数据丢失了。那拿谁问责呢？

  所以为了防止这个问题产生，就出现了D磁盘休眠状态，也被称为不可中断睡眠！

  无法被中断，也无法被杀死，只能等他操作完成后自己醒来，或者强制重启电脑

二、僵尸进程和孤儿进程

1、僵尸进程

1.1概念

  在子进程退出时，它的退出信息会保存在它的tast_struct里等待着父进程读取，被父进程读取之后，才会被操作系统回收。

  僵尸进程就是子进程退出之后，它的退出信息并没有被父进程读取，从而处于失效状态，没有被回收。

  1.2僵尸进程带来的问题

  我们知道，进程=task_struct+进程的代码和数据，当子进程退出之后，它的代码和数据不会再被使用，已经被释放掉，但是它的task_struct会一直都在，必须等待操作系统读取。task_struct会一值占用小段内存，这就会造成内存泄漏，使得这小段内存再也无法使用。

1.3演示

写一段以下代码：

  在前五秒的时候，我们的子进程会跟父进程一起打印，五秒后，子进程退出，父进程依然打印，从左边状态可以看出，我们的子进程状态退出后状态变成了Z:僵尸状态

  这就是因为我们的子进程退出之后，父进程依然在打印，没有时间去读取子进程的退出信息，从而使它变成了僵尸进程。         

  那为什么我们在写单进程代码时，不会出现这种情况呢？因为单进程的父进程是bash，

bash是什么，bash可以理解为最顶端的父进程，bash会自动回收Z状态进程。

2、孤儿进程

  孤儿进程是在我们子进程没有退出之前，其父进程先退出，父亲不见了，其就变成了孤儿，此时他也面临着无法回收问题，但是它一般会被一号进程（OS本身）领养，由一号进程再把它回收。

  我们修改一下代码，让父进程先退出：

  此时子进程将称为孤儿 

   可以看到由前台S+状态变成了后台S状态 

至于如何回收，我们下篇文章再谈。

三、运行、阻塞、挂起

接下来我们重点来说一下这三种状态的概念和相互转换

1、运行

  在我们的操作系统中，进程一般都在进程队列里，新建一个进程就是将这个进程的task_struct和其代码和数据放到这个进程队列里，再通过链表链接起来。

  操作系统想要调度进程，前提是CPU需要去维护一个运行队列，我们想要运行进程，那么就要把这个进程放在运行队列里，这样操作系统就调度进程使，让CPU从运行队列里调度就可以了。

  这时存在于运行队列里的进程都是运行状态。严谨点来说，存在于运行队列里的都是就绪态，被调用时才是运行态

2、阻塞

  先描述一个场景，当我们写代码时，用到scanf函数，进程在等待我们键盘输入的这个过程，是如何等待的呢？

  scanf函数等待我们的硬件-键盘输入，也是需要操作系统进行管理的，我们前篇已经讲过，操作系统对硬件管理时，也是用到内核数据结构，将所有硬件的属性和信息放到一个结构体里，用链表的形式链接。

  我们要明确一个概念，进程在等待键盘输入，既然是等待，那么他就不是在运行，不是运行态就不会在运行队列里，那么它会在哪里呢？

  在设备的等待队列里,此时设备的结构体中会有一个等待队列，来存放等待设备响应的进程。当进程在等待键盘输入时，这个进程的task_struct会被放入这个设备的等待队列里，这时候就变成了阻塞态

  接着我们的键盘输入后，该进程task_struct又会被放入运行队列，这一操作被称为唤醒状态又会变成运行态，此时我们的CPU就可以获取我们输入的数据了

3、挂起

  当我们处于阻塞态时，进程都在等待硬件响应，等待的这段时间里，它占用内存但是不会去做什么实际的事。不断的累计会造成内存吃紧，当内存吃紧的时候，我们就需要一种方式去缓解内存压力

  在我们的磁盘里，有一个叫做swap分区，用来存放内存里的一些数据，当我们内存吃紧的时候，我们可以把处于阻塞态的进程的代码和数据暂存到磁盘中的swap分区里，这样就会腾出可观的空间，缓解内存压力。这时进程的状态就被称为挂起。

  由内存到swap分区这一操作被称为唤出，由swap分区到内存这一操作被称为唤入。

  频繁唤入唤出会不会有什么后果呢？

  当操作系统感觉到压力大的时候，会把一些数据暂存到swap分区，如果我们的swap分区较大，那么操作系统每次感觉到压力大的时候，都会把一些数据暂存到swap分区，在swap分区的数据多了，那么电脑的效率必然会降低，因为每次都需要把数据唤入到内存。

  所以，频繁的唤入唤出会导致系统效率降低，我们可以把swap分区空间设置的不要太大，从而让操作系统合理的使用swap分区。