【Linux探索学习】第十三弹——进程状态：深入理解操作系统进程状态与Linux操作系统中的进程状态
Linux笔记：
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前言：
在上篇我们已经讲解了进程的基本内容，也了解了进程在操作系统的重要作用，今天我们正式开始进程的另一个知识点的讲解：进程状态，即一个进程不可能一直处在运行或终止状态中，它是可以有很多种状态的，今天我就将详细讲解一下进程具体有哪些状态，以及这些状态之间是如何切换的
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在操作系统中，进程是资源分配和任务调度的基本单位。为了更好地管理系统资源，操作系统将进程的生命周期划分为不同的状态，帮助系统实现高效的资源调度与管理。Linux操作系统在经典的进程状态模型基础上进行了扩展和细化，提供了更细粒度的控制。本文将详细介绍操作系统进程状态的基本概念，深入解析Linux操作系统中的进程状态，并通过代码示例展示各个状态的实现方式。
一、操作系统中的进程状态概述
操作系统中的进程状态是进程在生命周期中可能处于的不同状态。这些状态帮助操作系统识别进程的运行情况，并在不同状态间进行合理的资源分配。操作系统中的经典进程状态包括就绪、运行、阻塞和终止。
1.1 经典的进程状态模型
典型的操作系统中，进程状态可以分为以下几种：
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| 就绪（Ready） | 进程已准备好，等待CPU调度器分配CPU。 |
| 运行（Running） | 进程正在占用CPU，正在执行中。 |
| 阻塞（Blocked/Waiting） | 进程因需要等待资源或事件而无法继续执行，暂停等待。 |
| 终止（Terminated） | 进程执行完成或被强制终止，进入终止状态，等待操作系统回收资源。 |
在这种经典模型中，进程会在不同状态之间流转。具体来说：
- 就绪 -> 运行：CPU调度器分配CPU给就绪状态的进程。
- 运行 -> 阻塞：进程等待I/O或其他资源时进入阻塞状态。
- 阻塞 -> 就绪：等待的条件满足后，进程重新进入就绪队列，等待CPU调度。
- 运行 -> 终止：进程执行完毕或异常终止，进入终止状态。
1.2 进程状态转换图
该图展示了一个经典进程状态的转换流程。箭头表示进程状态转换的可能路径。
二、Linux操作系统中的进程状态
Linux操作系统在经典的进程状态基础上进行了一系列扩展，允许内核更细粒度地控制进程，尤其是当系统资源紧张或多任务并发性很高时。Linux内核中的进程状态可以使用ps命令或读取/proc文件系统来查看进程的状态信息。
2.1 Linux进程状态的分类
| Linux状态 | 描述 |
|---|---|
| TASK_RUNNING | 正在运行或可以运行的进程，即就绪状态。 |
| TASK_INTERRUPTIBLE | 可中断等待状态，等待期间可以被信号中断并唤醒。 |
| TASK_UNINTERRUPTIBLE | 不可中断等待状态，等待期间不会被信号唤醒，通常用于等待设备I/O操作的完成。 |
| TASK_STOPPED | 进程被暂停，通常因收到SIGSTOP等信号。 |
| TASK_TRACED | 进程被调试器（如gdb）控制。 |
| EXIT_DEAD | 进程已结束，即将被回收。 |
| EXIT_ZOMBIE | 僵尸状态，进程结束但资源尚未被父进程回收。 |
| TASK_DEAD | 进程已彻底终止，资源已回收。 |
在进程的task_struct结构体中，state字段用来表示进程的当前状态。根据内核中的定义，不同状态的进程会被挂载在不同的等待队列上，以实现细粒度的调度与控制。
2.2 各状态的详细解释
TASK_RUNNING：进程正在运行或准备运行。它可以被调度器分配到CPU执行。
TASK_RUNNING的进程始终是就绪队列的一部分。TASK_INTERRUPTIBLE：进程处于可中断等待状态，等待某一条件满足。进程在此状态下可以被信号唤醒。（关于信号的知识我们在后面会讲）
TASK_UNINTERRUPTIBLE：进程处于不可中断的等待状态。这通常用于等待特定资源（例如设备I/O操作完成）。进程在此状态下不会被信号打断，即便外部发送信号也不会响应。
TASK_STOPPED：进程被暂停，通常是由于接收到SIGSTOP信号或调试器干预，等待继续或恢复信号。
TASK_TRACED：进程被调试工具（如gdb）跟踪和控制。此状态下的进程会暂停，直到调试器进一步控制。
EXIT_DEAD：进程终止后进入清理阶段，等待系统回收资源。
EXIT_ZOMBIE：进程已结束，系统未回收其资源。僵尸进程会保留在系统中，直到其父进程调用
wait()系统调用收集它的退出状态。TASK_DEAD：表示进程已彻底结束，系统已回收其所有资源。
2.3 Linux进程状态表
| Linux 状态 | 符号 | 进程描述 |
|---|---|---|
| TASK_RUNNING | R | 进程正在运行或可以被调度器调度运行。 |
| TASK_INTERRUPTIBLE | S | 进程处于可中断的睡眠状态，等待条件满足。 |
| TASK_UNINTERRUPTIBLE | D | 进程处于不可中断的睡眠状态，通常等待I/O。 |
| TASK_STOPPED | T | 进程暂停或已终止。 |
| EXIT_ZOMBIE | Z | 僵尸进程，等待父进程收回。 |
2.4 使用ps查看进程状态
在Linux系统中，可以通过ps命令查看进程的状态：
ps -auxps命令会显示每个进程的详细信息，其中状态列标记着每个进程的状态。状态的含义如下：
- R：运行或就绪状态。
- S：可中断等待。
- D：不可中断等待。
- T：停止。
- Z：僵尸状态。
我们也可以通过ps命令查看某个指定的进程的信息：
ps axj | grep 进程名字三、代码示例：实现Linux进程状态的模拟
为了更好地理解Linux中的进程状态，以下示例演示了不同状态的应用。代码展示了一个简单的内核模块，用于模拟进程进入阻塞状态、唤醒状态等。
3.1 阻塞等待状态示例
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/kthread.h>
#include <linux/delay.h>
static wait_queue_head_t wait_queue; // 定义等待队列
static int condition = 0;
static struct task_struct *thread_waiter;
static int waiter_thread(void *data) {
printk(KERN_INFO "等待线程启动...\n");
wait_event_interruptible(wait_queue, condition != 0); // 可中断等待
printk(KERN_INFO "等待线程被唤醒，继续执行...\n");
return 0;
}
static int __init wait_queue_init(void) {
init_waitqueue_head(&wait_queue); // 初始化等待队列
thread_waiter = kthread_run(waiter_thread, NULL, "waiter_thread");
if (IS_ERR(thread_waiter)) {
printk(KERN_ERR "线程创建失败\n");
return PTR_ERR(thread_waiter);
}
msleep(5000); // 模拟一些操作
condition = 1; // 修改条件
wake_up_interruptible(&wait_queue); // 唤醒等待线程
return 0;
}
static void __exit wait_queue_exit(void) {
printk(KERN_INFO "卸载模块\n");
}
module_init(wait_queue_init);
module_exit(wait_queue_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
在上面的代码中：
waiter_thread进入可中断等待状态，等待条件满足。- 当条件变量
condition改变时，wake_up_interruptible唤醒等待队列中的线程，使waiter_thread进入可运行状态。
3.2 僵尸进程示例
僵尸进程是进程状态的特殊情况，无法直接控制其生成。为了生成僵尸进程，可以在一个子进程中完成工作后立刻终止，但不等待父进程收回资源。示例如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 子进程，立即退出成为僵尸进程
printf("子进程：PID=%d\n", getpid());
exit(0);
} else {
// 父进程，等待5秒以查看僵尸进程
printf("父进程：PID=%d\n", getpid());
sleep(5);
printf("父进程结束，僵尸子进程将被回收。\n");
}
return 0;
}
在这个代码中，子进程在终止后不被父进程立即回收，因此变成僵尸状态。可以使用ps命令查看该僵尸进程，发现它的状态为Z。
3.3 孤儿进程示例
除了上面的内容外，我们还有一个叫做孤儿进程的特殊进程，比如当fork执行出来的父子进程，父进程先被杀掉的，我们就会发现子进程的PPID会变为1，进程1为systemd，这就是操作系统本身——父进程是1号进程——孤儿进程是被操作系统所领养了
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id < 0){
perror("fork");
return 1;
}
else if(id == 0){//child
printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
sleep(10);
}else{//parent
printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
sleep(3);
exit(0);
}
return 0;
}
四、总结
本文深入讲解了操作系统中经典的进程状态模型，以及Linux系统中对进程状态的细化与扩展。在Linux中，进程状态包括
TASK_RUNNING、TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE等多种状态，为操作系统内核调度提供了更强的控制力。通过本文的理论分析和代码示例，相信大家对进程状态的理解会更加深入。希望本篇内容能够帮助大家在实际开发和系统调试中更加高效地管理和控制Linux进程状态。
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