本篇文章進(jìn)行操作系統(tǒng)中進(jìn)程狀態(tài)的學(xué)習(xí)?。?！

1、進(jìn)程狀態(tài)

1.1、概念

在學(xué)習(xí)OS中的進(jìn)程狀態(tài)時(shí)，書上的描述為了在Linux、Windows、Android中都能說的通，往往加深了理解的難度

我們可以先學(xué)習(xí)具體的Linux進(jìn)程狀態(tài)，然后再介紹然后再介紹OS學(xué)科的狀態(tài)如何理解

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中的一門“哲學(xué)”，要考慮很多情況

貼幾張不同的進(jìn)程狀態(tài)圖

1.2、具體的進(jìn)程狀態(tài)

1. 具體的進(jìn)程狀態(tài)可以分為四種：

運(yùn)行態(tài)：進(jìn)程只要被加載到運(yùn)行隊(duì)列中

如何理解進(jìn)程被加載到運(yùn)行隊(duì)列中？

運(yùn)行隊(duì)列也是一個(gè)對(duì)象，也可以通過描述再組織進(jìn)行管理

運(yùn)行隊(duì)列的屬性其中有PCB指針，可以通過隊(duì)列的性質(zhì)或復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理

調(diào)度器的主要作用是在就緒隊(duì)列中選擇優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行，如果優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)不止一個(gè)，則選擇隊(duì)頭的任務(wù)運(yùn)行

當(dāng)運(yùn)行隊(duì)列中的進(jìn)程被調(diào)度時(shí)，CPU會(huì)執(zhí)行該進(jìn)程的代碼

2. 終止態(tài)：進(jìn)程已經(jīng)終止，但還存在，只是永遠(yuǎn)不運(yùn)行了，隨時(shí)等待被釋放

進(jìn)程都已經(jīng)終止了，為什么不立刻釋放資源，而要維護(hù)一個(gè)終止態(tài)呢？

因?yàn)獒尫胚M(jìn)程的資源需要時(shí)間

CPU不可能一直盯著這個(gè)進(jìn)程，可能還會(huì)在做其他事情，所以要維護(hù)一個(gè)終止態(tài)

例子：比如你去吃飯，吃完后，叫老板結(jié)賬，老板可能沒回應(yīng)你，他可能在給別人點(diǎn)餐

3. 阻塞態(tài)：進(jìn)程在等待某種資源時(shí)(非CPU資源)，資源沒有就緒的時(shí)候，該進(jìn)程會(huì)到對(duì)應(yīng)的資源等待隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)，該進(jìn)程的代碼并沒有運(yùn)行，就叫做"阻塞態(tài)"

一個(gè)進(jìn)程在被CPU執(zhí)行的時(shí)候，用的不僅僅是CPU的資源

進(jìn)程可能申請(qǐng)更多的資源，如：磁盤、網(wǎng)卡、顯卡、顯示器資源和聲卡資源等等…

申請(qǐng)對(duì)應(yīng)的資源無法滿足時(shí)，是需要排隊(duì)的，比如：CPU資源在運(yùn)行隊(duì)列中排隊(duì)

申請(qǐng)其他慢設(shè)備的資源在對(duì)應(yīng)的隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)

4. 掛起態(tài)：當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，OS會(huì)將短期內(nèi)不會(huì)被調(diào)度的進(jìn)程的數(shù)據(jù)和代碼挪動(dòng)到磁盤中的swap分區(qū)，當(dāng)內(nèi)存足夠時(shí)，會(huì)重新加載到內(nèi)存中

1.3、Linux進(jìn)程狀態(tài)

Linux內(nèi)核源代碼中的狀態(tài)

/*
* 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 */
};

1.3.1、R運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行態(tài)）

R (running)運(yùn)行狀態(tài)：進(jìn)程是在運(yùn)行中或在運(yùn)行隊(duì)列中

R狀態(tài)一般是看不出來的，因?yàn)镃PU的運(yùn)算速度非?？?，當(dāng)你運(yùn)行程序時(shí)，CPU就已經(jīng)執(zhí)行結(jié)束

比如在死循環(huán)中打印hello world，進(jìn)程狀態(tài)一般為"S"，因?yàn)镃PU太快了

CPU一般在等待顯示器資源就緒，所以狀態(tài)一直為S

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

通過不斷刷新ps指令來查看進(jìn)程狀態(tài)的變化：while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep ‘test’ | grep -v grep; sleep 2; echo “#############################################”; done

可以通過不斷的死循環(huán)來讓CPU一直不斷的工作，因?yàn)樗姥h(huán)沒有訪問外設(shè)資源

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

1.3.2、S/D睡眠狀態(tài)（阻塞態(tài)）

S (sleeping)睡眠狀態(tài)：意味著進(jìn)程在等待事件完成

這里的睡眠也叫做：可中斷睡眠（淺睡眠），因?yàn)樗梢酝ㄟ^指令進(jìn)行中斷

可以使用 kill 【-9】 【進(jìn)程PID】進(jìn)行中斷

睡眠狀態(tài)是：該進(jìn)程申請(qǐng)的資源已經(jīng)被其他進(jìn)程使用，該進(jìn)程在對(duì)應(yīng)的“資源等待隊(duì)列中進(jìn)行等待，進(jìn)程中的代碼沒有執(zhí)行

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

D磁盤休眠狀態(tài)（Disk sleep）

D狀態(tài)也叫不可中斷睡眠狀態(tài)（uninterruptible sleep），在這個(gè)狀態(tài)的進(jìn)程通常會(huì)等待IO的結(jié)束

D狀態(tài)不能通過指令進(jìn)行中斷，必須等它由D狀態(tài)變成S狀態(tài)時(shí)才能殺死

經(jīng)過上圖可以發(fā)現(xiàn)，如果堆磁盤進(jìn)行讀寫時(shí)，發(fā)生中斷，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問題

所以才有了D狀態(tài)，D狀態(tài)就算是OS也不能對(duì)其進(jìn)行釋放

D狀態(tài)不好模擬，但可以使用"dd指令"進(jìn)行模擬

1.3.3、T/t停止?fàn)顟B(tài)

T停止?fàn)顟B(tài)（stopped）：

可以通過發(fā)送 SIGSTOP 信號(hào)或快捷鍵【ctrl+z】給進(jìn)程來停止（T）進(jìn)程

這個(gè)被暫停的進(jìn)程可以通過發(fā)送 SIGCONT 信號(hào)讓進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
        cout << getpid() << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

可以通過kill 【-19】 【進(jìn)程PID】將指定進(jìn)程發(fā)生停止運(yùn)行信號(hào)

kill 【-18】【進(jìn)程PID】可以恢復(fù)重新運(yùn)行

還有一種t (tracing stop)狀態(tài)：針對(duì)gdb調(diào)試的狀態(tài)

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
        cout << getpid() << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ make
g++ test.cpp -o test -g
[lyh_sky@localhost lesson11]$ gdb test

1.3.3、X死亡狀態(tài)

X死亡狀態(tài)（dead）：這個(gè)狀態(tài)只是一個(gè)返回狀態(tài)，你不會(huì)在任務(wù)列表里看到這個(gè)狀態(tài)

1.3.4、Z(zombie)僵尸進(jìn)程

概念：

注意：僵尸進(jìn)程是不能被殺死的，因?yàn)橐呀?jīng)是僵尸了，不能再死第二次?。?！

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程退出的時(shí)候，一般不會(huì)直接進(jìn)入X狀態(tài)(死亡，資源可以立馬被會(huì)回收)，而是進(jìn)入Z狀態(tài)

僵死狀態(tài)（Zombies）是一個(gè)比較特殊的狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)程退出并且父進(jìn)程（使用wait()系統(tǒng)調(diào)用）沒有讀取到子進(jìn)程退出的返回代碼時(shí)就會(huì)產(chǎn)生僵死(尸)進(jìn)程

僵死進(jìn)程會(huì)以終止?fàn)顟B(tài)保持在進(jìn)程表中，并且會(huì)一直在等待父進(jìn)程讀取退出狀態(tài)代碼

只要子進(jìn)程退出，父進(jìn)程還在運(yùn)行，但父進(jìn)程沒有讀取子進(jìn)程狀態(tài)，子進(jìn)程進(jìn)入Z狀態(tài)

進(jìn)程被創(chuàng)建出來是因?yàn)橛脩粲腥蝿?wù)要交給它執(zhí)行，當(dāng)進(jìn)程退出的時(shí)候，我們不知道這個(gè)進(jìn)程完成的怎么樣了，一般需要將進(jìn)程的執(zhí)行結(jié)果告知給父進(jìn)程和OS

模擬Z狀態(tài)：創(chuàng)建子進(jìn)程，子進(jìn)程退出，父進(jìn)程不退出(還在運(yùn)行)，子進(jìn)程退出之后的狀態(tài)就是Z

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    int cnt = 3;
    if (id == 0)
    {
        while (cnt)
        {
            cout << "我是子進(jìn)程，我還有" << cnt-- << "秒時(shí)間結(jié)束" << endl;
            sleep(1);
        }
        cout << "進(jìn)入僵尸狀態(tài)" << endl;
        // 結(jié)束子進(jìn)程，并且返回0
        exit(0);
    }
    else
    {
        while (1)
        {}
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

僵尸進(jìn)程危害：

如果沒有人回收子進(jìn)程的僵尸，該狀態(tài)會(huì)一直被維！該進(jìn)程的相關(guān)資源(task_struct)不會(huì)被釋放

那一個(gè)父進(jìn)程創(chuàng)建了很多子進(jìn)程，就是不回收，就會(huì)造成內(nèi)存資源的浪費(fèi)！因?yàn)閿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象本身就要占用內(nèi)存，想想C中定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，是要在內(nèi)存的某個(gè)位置進(jìn)行開辟空間！

這樣就會(huì)造成內(nèi)存泄漏！！！

2、孤兒進(jìn)程

init進(jìn)程：它是內(nèi)核啟動(dòng)的第一個(gè)用戶級(jí)進(jìn)程

父進(jìn)程如果提前退出，那么子進(jìn)程后退出，進(jìn)入Z之后，那該如何處理呢？

父進(jìn)程先退出，子進(jìn)程就稱之為“孤兒進(jìn)程”

孤兒進(jìn)程被1號(hào)init進(jìn)程領(lǐng)養(yǎng)，當(dāng)然要有init進(jìn)程回收嘍

[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    int cnt = 3;
    if (id != 0)
    {
        while (cnt)
        {
            cout << "我是父進(jìn)程，我還有" << cnt-- << "秒時(shí)間結(jié)束" << endl;
            sleep(1);
        }
        cout << "父進(jìn)程退出" << endl;
        exit(0);
    }
    else
    {
        while (1)
        {}
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

3、Linux進(jìn)程優(yōu)先級(jí) 

3.1、優(yōu)先級(jí)概念

進(jìn)程優(yōu)先級(jí)和權(quán)限的區(qū)別？

進(jìn)程優(yōu)先級(jí)是：進(jìn)程獲取外設(shè)資源的先后順序問題

權(quán)限是：擁有者、所屬組和other是否可以進(jìn)行讀寫執(zhí)行操作

它們的區(qū)別是：在學(xué)校中，我們?nèi)コ燥?，食堂分教師和學(xué)生，我們不能去教師食堂打飯，這就是權(quán)限。我們打飯時(shí)，需要排隊(duì)，排在前面可以先打到飯，后面的也一樣可以打到飯，這就是優(yōu)先級(jí)

概念：

cpu資源分配的先后順序，就是指進(jìn)程的優(yōu)先權(quán)（priority）

優(yōu)先權(quán)高的進(jìn)程有優(yōu)先執(zhí)行權(quán)利。配置進(jìn)程優(yōu)先權(quán)對(duì)多任務(wù)環(huán)境的linux很有用，可以改善系統(tǒng)性能

還可以把進(jìn)程運(yùn)行到指定的CPU上，這樣一來，把不重要的進(jìn)程安排到某個(gè)CPU，可以大大改善系統(tǒng)整體性能

為什么要存在進(jìn)程優(yōu)先級(jí)呢？？？

排隊(duì)的本質(zhì)就是確認(rèn)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)

內(nèi)存里面永遠(yuǎn)都是進(jìn)程占大多數(shù)，而資源是少數(shù)（外設(shè)：磁盤、網(wǎng)卡、顯卡…）

進(jìn)程競爭資源是常態(tài)，OS要確認(rèn)進(jìn)程的先后循序，不然就亂套了

3.2、Linux下進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的操作

使用【ps -al】指令查看進(jìn)程更多的屬性（包含進(jìn)程優(yōu)先級(jí)）：

top指令

進(jìn)入top后按“r”–>輸入進(jìn)程PID–>輸入nice值

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

我們很容易注意到其中的幾個(gè)重要信息，有下：

• UID : 代表執(zhí)行者的身份
• PID : 代表這個(gè)進(jìn)程的代號(hào)
• PPID ：代表這個(gè)進(jìn)程是由哪個(gè)進(jìn)程發(fā)展衍生而來的，亦即父進(jìn)程的代號(hào)
• PRI ：代表這個(gè)進(jìn)程可被執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)，其值越小越早被執(zhí)行
• NI ：代表這個(gè)進(jìn)程的nice值

3.3、PRI 和 NI

PRI也還是比較好理解的，即進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，或者通俗點(diǎn)說就是程序被CPU執(zhí)行的先后順序，此值越小進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)別越高

NI就是nice值，其表示進(jìn)程可被執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)的修正數(shù)值

PRI值越小越快被執(zhí)行，那么加入nice值后，將會(huì)使得PRI變?yōu)椋?PRI(new) = PRI(old) + nice

當(dāng)nice值為負(fù)值的時(shí)候，那么該程序?qū)?huì)優(yōu)先級(jí)值將變小，即其優(yōu)先級(jí)會(huì)變高，則其越快被執(zhí)行

調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，在Linux下，就是調(diào)整進(jìn)程nice值

nice其取值范圍是-20至19，一共40個(gè)級(jí)別，調(diào)整NI時(shí)，會(huì)重新變成初始值80，然后+NI值

例如PRI：70 NI：-10，把NI更改成10時(shí)，PRI = 80 + 10 = 90

在root用戶下，使用top指令修改進(jìn)程優(yōu)先級(jí)：

[lyh_sky@localhost lesson11]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat test.cpp 
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world!!!" << endl;
        cout << "我的pid是: " << getpid() << endl;
        sleep(2);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson11]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test -g
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson11]$ ./test 

進(jìn)入top指令后輸入r，然后回車，然后輸入需要修改進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的pid

輸入pid后回車，接著輸入NI值，就能修改進(jìn)程優(yōu)先級(jí)了

3.4、PRI vs NI

需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，進(jìn)程的nice值不是進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，他們不是一個(gè)概念，但是進(jìn)程nice值會(huì)影響到進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)變化

可以理解nice值是進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的修正修正數(shù)據(jù)

4、其他概念

1. 競爭性：系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個(gè)，所以進(jìn)程之間是具有競爭屬性的。為了高效完成任務(wù)，更合理競爭相關(guān)資源，便具有了優(yōu)先級(jí)

2. 獨(dú)立性：多進(jìn)程運(yùn)行，需要獨(dú)享各種資源，多進(jìn)程運(yùn)行期間互不干擾

比如：我們在下載東西時(shí)，同時(shí)打開瀏覽器進(jìn)行瀏覽，當(dāng)瀏覽器掛掉了，是不會(huì)影響下載的，反之下載掛掉了，也不會(huì)影響瀏覽器

進(jìn)程具有獨(dú)立性，不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程掛斷或者出現(xiàn)異常，而導(dǎo)致其他進(jìn)程出現(xiàn)問題

3. 并行：多個(gè)進(jìn)程在多個(gè)CPU下，分別同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，這稱之為并行

4. 并發(fā)：多個(gè)進(jìn)程在一個(gè)CPU下采用進(jìn)程切換的方式，在一段時(shí)間之內(nèi)，讓多個(gè)進(jìn)程都得以推進(jìn)，稱之為并發(fā)

操作系統(tǒng)，就是簡單的根據(jù)隊(duì)列來進(jìn)行先后調(diào)度的嗎？有沒有可能突然來了一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程？

操作系統(tǒng)中有二種內(nèi)核，分為“搶占式內(nèi)核”和“非搶占式內(nèi)核”

當(dāng)正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程，如果來了一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程，調(diào)度器會(huì)直接把正在執(zhí)行的進(jìn)程從CPU上剝離，放上優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程，這就是“進(jìn)程搶占”（搶占式內(nèi)核）

5. 進(jìn)程上下文：進(jìn)程在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種寄存器數(shù)據(jù)，就叫做進(jìn)程的硬件上下文數(shù)據(jù)

當(dāng)進(jìn)程被剝離：需要保存上下文數(shù)據(jù)

當(dāng)進(jìn)程恢復(fù)的時(shí)候：需要將曾經(jīng)保存的 上下文數(shù)據(jù)恢復(fù)到寄存器中

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。