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内核编程十三：进程状态详解

article 2025/3/29 17:13:56

进程如同数字世界中的生命体，诞生时被系统母体赋予初始资源，在CPU的脉搏中呼吸，于内存的疆域里生长。它睁开线程之眼观察世界，伸出系统调用之手与环境互动，时而如幼童般单纯执行指令，时而如哲人般陷入阻塞沉思。当时间片如春雨洒落便舒展枝桠，遭遇死锁风暴则蜷缩休眠。最终在exit的凋零中归还所有记忆，化作进程列表里一道转瞬即逝的微光，完成从二进制胚胎到硅基消亡的完整轮回。

内核定义的进程状态

在 include/linux/sched.h 文件中对进程的状态进行了具体的定义，如下所示：

/* Used in tsk->state: */
#define TASK_RUNNING			0x0000
#define TASK_INTERRUPTIBLE		0x0001
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE		0x0002
#define __TASK_STOPPED			0x0004
#define __TASK_TRACED			0x0008
/* Used in tsk->exit_state: */
#define EXIT_DEAD			0x0010
#define EXIT_ZOMBIE			0x0020
#define EXIT_TRACE			(EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)
/* Used in tsk->state again: */
#define TASK_PARKED			0x0040
#define TASK_DEAD			0x0080
#define TASK_WAKEKILL			0x0100
#define TASK_WAKING			0x0200
#define TASK_NOLOAD			0x0400
#define TASK_NEW			0x0800
/* RT specific auxilliary flag to mark RT lock waiters */
#define TASK_RTLOCK_WAIT		0x1000
#define TASK_STATE_MAX			0x2000

这些状态可以分为以下三类：

1. 运行与睡眠状态

状态	值（十六进制）	描述
TASK_RUNNING	`0x0000`	进程正在运行（CPU 执行）或就绪（在运行队列中等待调度）。
TASK_INTERRUPTIBLE	`0x0001`	可中断睡眠：进程因等待资源（如 I/O、信号量）被阻塞，但可被信号或事件唤醒。
TASK_UNINTERRUPTIBLE	`0x0002`	不可中断睡眠：进程因关键操作（如磁盘 I/O）被阻塞，不可被信号唤醒。需谨慎使用。
__TASK_STOPPED	`0x0004`	进程被信号（如 `SIGSTOP`、`SIGTSTP`）暂停，直到收到 `SIGCONT` 恢复。
__TASK_TRACED	`0x0008`	进程被调试器（如 `ptrace`）跟踪，通常与 `STOPPED` 联合出现。
TASK_PARKED	`0x0040`	进程主动休眠（如内核线程），需通过特定唤醒机制恢复。
TASK_DEAD	`0x0080`	进程正在结束，资源尚未完全释放（与 `EXIT_DEAD` 配合使用）。
TASK_WAKEKILL	`0x0100`	附加标志：允许致命信号（如 `SIGKILL`）唤醒处于 `INTERRUPTIBLE/UNINTERRUPTIBLE` 的进程。
TASK_WAKING	`0x0200`	临时状态：进程正在从睡眠状态转移到运行队列。

状态转换

运行 → 睡眠：因等待资源（如 TASK_INTERRUPTIBLE）或主动暂停（如 __TASK_STOPPED）。
睡眠 → 运行：被事件唤醒（如 I/O 完成）或收到信号（如 SIGCONT）。

不可中断睡眠（UNINTERRUPTIBLE）

常见于磁盘 I/O 或内核关键路径，无法通过 kill 终止，需解决底层阻塞问题。

调试相关状态

__TASK_TRACED 和 __TASK_STOPPED 用于调试器（如 gdb）或 shell 作业控制（如 jobs）。

2. 退出状态

状态	值（十六进制）	描述
EXIT_ZOMBIE	`0x0020`	僵尸进程：进程已终止，但父进程尚未通过 `wait()` 回收其资源（如 PID、退出状态）。
EXIT_DEAD	`0x0010`	彻底退出：进程资源已完全释放，是退出过程的最终状态。
EXIT_TRACE	`0x0030`	被调试进程的退出状态（`ZOMBIE	DEAD`）。

退出流程：进程终止后先变为 EXIT_ZOMBIE，父进程回收后转为 EXIT_DEAD。

僵尸进程：若父进程未调用 wait()，子进程会长期保持 EXIT_ZOMBIE，占用内核资源。

3. 其他辅助状态

状态	描述
TASK_NOLOAD	进程不参与系统负载计算（如某些内核线程）。
TASK_NEW	进程刚创建，尚未完全初始化。
TASK_RTLOCK_WAIT	进程正在等待实时（RT）互斥锁（用于实时调度策略）。

结构体中状态的定义

struct task_struct 中的 unsigned int __state 成员是用来标记进程状态的核心字段，它存储了进程的当前状态标志（如 TASK_RUNNING、TASK_INTERRUPTIBLE 等）

struct task_struct {
...
unsigned int			__state;
...
}

打印进程状态（内核态）

通过 current 宏打印当前进程的状态，再通过dmesg进行查看

struct task_struct *current_task = current;
printk(KERN_INFO "Current process state: %d\n", current_task->__state);

用户态进程状态

ps 通过解析 /proc/<pid>/status 或 /proc/<pid>/stat 获取进程的状态，显示为单字母缩写，仅反映内核状态的子集：

`ps` 状态	含义	对应的内核状态
`R`	Running (运行/就绪)	`TASK_RUNNING`
`S`	Interruptible Sleep	`TASK_INTERRUPTIBLE`（可中断睡眠）
`D`	Uninterruptible Sleep	`TASK_UNINTERRUPTIBLE`（不可中断睡眠，通常因等待磁盘 I/O 或内核锁）
`Z`	Zombie	`EXIT_ZOMBIE`
`T`	Stopped	`__TASK_STOPPED`（如通过 `SIGSTOP` 暂停）
`t`	Tracing stop	`__TASK_TRACED`（被调试器跟踪，如 `gdb`）
`X`	Dead (已退出)	`EXIT_DEAD`（极少在 `ps` 中看到，因进程已完全退出）
`I`	Idle (空闲线程)	内核线程的特殊状态（无直接对应标志，可能结合 `TASK_RUNNING` 和 `TASK_NOLOAD`）
`P` / `W`	Parked / Waking	`TASK_PARKED` 或 `TASK_WAKING`（某些内核版本支持）

内核态 VS 用户态

维度	内核状态	`ps` 状态
表示方式	位掩码（多状态组合）	单字母缩写（互斥状态）
粒度	细粒度（支持复合状态）	粗粒度（简化映射）
退出状态	明确区分 `EXIT_ZOMBIE` 和 `EXIT_DEAD`	仅显示 `Z`（僵尸）或 `X`（彻底退出极少见）
调试状态	单独标记 `__TASK_TRACED`	显示为 `t`（与 `T` 区分）
实时状态	支持 `TASK_RTLOCK_WAIT` 等扩展标志	无直接对应
用户友好性	面向内核开发者	面向系统管理员/开发者