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Process States

操作系统进程

再操作系统的概念中，进程状态可以分成一下几类：

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  • 创建：进程创建时申请一个空白PCB，向其填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。
  • 就绪：进程已经准备好，已分配到所需资源，只要分配到CPU就能立即运行。即在CPU的运行队列中的进程。
  • 执行：进程处于就绪状态被调度后，进程进入执行状态。
  • 阻塞：正在执行的进程遇到某些事件（I/O请求等）而暂时无法运行，进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用。
  • 终止：进程结束，或出现错误，或被系统终止，进入终止状态。无法再执行。

除此之外还有一种挂起状态，这种状态一般出现在操作系统负载很高，内存资源很紧张的时候，这时操作系统会将一些进程的数据和代码从内存移动到磁盘的 swap 分区里，当CPU调度该进程时，再将代码和数据换回到内存中，这样虽然可以降低内存的压力，但是速度会很慢，因为会和磁盘进行IO，效率很低。

进程的状态大致可以分为以上几类，在不同操作系统中的具体实现时，会有更多细分。

Linux进程状态

下面是Linux实现时设置的进程状态：

/*
 * 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 *task_state_array[] = {
    "R (running)",      /*  0 */
    "S (sleeping)",     /*  1 */
    "D (disk sleep)",   /*  2 */
    "T (stopped)",      /*  4 */
    "t (tracing stop)", /*  8 */
    "Z (zombie)",       /* 16 */
    "X (dead)"      /* 32 */
};
  • R:运行状态，这里的运行状态不是操作系统概念中的运行状态，而是在CPU运行队列中进程的状态。
  • S：休眠状态，就是阻塞状态，此时进程在某个外设或其他进程的等待队列中。
  • D：磁盘睡眠状态，也叫不可中断式睡眠状态，在这个状态的进程不能被杀死，操作系统也不能。
  • T：停止状态。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。
  • t：追踪停止状态。GDB调试的进程会是这样的状态。
  • X：这个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。
  • Z：僵尸进程，父进程还未读取该进程的进程退出状态时，该进程进入Z状态。

下面对上面的进程状态进程详细介绍。

首先是R状态，这个很容易理解，就是在CPU运行队列中准备被CPU调度的进程，就是就绪状态和运行状态的合体。

我们以下面的代码做演示

#include <stdio.h>    
#include<sys/types.h>    
#include<unistd.h>    
int main()    
{    
    while(1)    
    {    
        printf("My pid is :%d\n",getpid());    
    }    
    return 0;    
}

并且用下述Xshell脚本指令，监视对应进程的情况 

while :; do ps ajx |head -1 && ps ajx |grep test.out |grep -v grep;sleep 1;echo ----------------------;done
我们可以看到如下进程信息

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我们发现一直在命令行输出的进程test.out，为什么状态却是S睡眠状态。

原因就是CPU对进程调度的速度是很快的，轮到test.out进程运行一瞬间就完成了对应指令，然后该进程就被加入到了对显示器进行IO请求的等待队列中，所以我们会一直看道它是在S睡眠状态。如果运气好是可以观察到该进程在R状态的。但是出现的概率很小。

如果我们想一直看到一个进程实在R状态，可以写下面代码

#include <stdio.h>     
int main()    
{    
    while(1);  
    return 0;    
}

进程没有对其他外设都没有请求，所以不会到其他外设硬件的等待队列中，进程也就会一直在CPU运行队列中。

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还有一个问题这个S和R后面的+是什么，这个+是指这个进程是一个前台进程，如果是后台进程就没有+。

之后是D状态。对于这个状态，我们首先要知道一件事情，操作系统在负载很大，资源很紧张时是会杀死一部分处于S状态的进程的。但是万一有一些进程在等待磁盘的IO响应，并且进行操作的数据非常重要，如果这时操作系统将该进程杀死会造成很严重的后果。所以要有D状态，防止操作系统杀死一些重要的进程。

这种状态不容易模拟出来，因为出现这种状态时，计算机负载就已经很大了，这时计算机离崩溃也就不远了。

T需要使用命令kill -19 [进程pid]来暂停进程。

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t就是在gdb调试时进程的状态，这里就不做演示了。

僵尸进程

最后来到Z状态，处于该状态的进程被称为僵尸进程。

在介绍僵尸进程时，我们首先要明确一件事，我们创建一个进程，一定是要让这个进程为我们完成一定的事情，那么在这个进程运行结束后，我们一定想知道这个进程完没完成我们交代给它的任务，或者说完成的怎么样。所以一个进程在退出时，要有一些退出信息，表明自己任务完成的怎么样。

而这些退出信息会被操作系统写入到该进程的进程PCB中，所以在该进程终止时，他的数据和代码会被释放，但是进程PCB依然会被操作系统维护，直到其退出信息被父进程读取后，才将其PCB释放。

下面时Linux内核源码中task_structo的几个字段，其中的exit_code就是退出信息，一般c/c++程序main函数的返回值会被存储到这个变量中。

/* task state */
    struct linux_binfmt *binfmt;
    int exit_code, exit_signal;
    int pdeath_signal;  /*  The signal sent when the parent dies  */
    /* ??? */

我们可以用以下代码简单模拟一下僵尸进程。

//test.cpp
#include <stdio.h>  
#include<sys/types.h>  
#include<unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
int main()  
{  
    int id = fork();
    if(id == 0){                               
        // 子进程          
        int cnt = 5;      
        while(cnt--){                          
            printf("I am son,my id:%d\n",getpid());  
            sleep(1); 
        }             
        exit(0);       
    }else { 
        while(1){            
            printf("I am father,my id:%d\n",getpid()); 
            sleep(1);
        }  
    } 
    return 0
}
使用上文的脚本对该进程进行监视

while : ;do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep test.out | grep -v grep ;echo -------------------------------;sleep 1;done

监视结果如下

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我们可以看道当子进程退出后进程状态就变成了Z，变成了僵尸进程，后面也多了一个修饰< defunct >，就是失效的意思，表面该进程以死，但是其进程PCB还在被操作系统维护。

僵尸进程危害：僵尸进程的的PCB，在其退出信息未被读取时，会一直存在。如果一个进程创建了很多子进程，而不读取它们的退出信息，操作系统就会维护大量死亡的进程的PCB，导致内存泄漏。

孤儿进程

到这里还有一个疑问，一个进程的退出信息要被其父进程读取后，它的PCB才会被操作系统回收，那如果一个进程的父进程先结束怎么办。而这样的进程被我们叫做孤儿进程。

而孤儿进程的父进程会被修改为1号进程，这个一号进程其实就是操作系统。

我们用下面的代码测试。

#include <stdio.h>    
#include<sys/types.h>    
#include<unistd.h>    
#include <stdlib.h>    
int main()    
{          
    int id = fork();    
    if(id == 0){    
        // 子进程    
        while(1){    
            printf("I am son,my id:%d\n",getpid());    
            sleep(1);    
        }    
    }else {    
        int cnt = 5;    
        while(cnt--){    
            printf("I am father,my id:%d\n",getpid());    
            sleep(1);    
        }    
        exit(0);                                                                  
    }                                                           
    return 0;                                                   
}
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我们可以看道当子进程的父进程结束时，子进程的ppid就变为了1，也就是操作系统，同时这个子进程被改为了后台进程。

退出后台进程需要依靠kill指令 

kill -9 [pid]