进程状态｜操作系统｜什么是pcb｜什么是僵尸进程｜什么是孤儿进程【超详细的图文解释】【Linux OS】

说在前面

今天给大家带来操作系统中进程状态的详解。

本篇博主将通过从进程状态的广泛概念，深入到Linux操作系统详细的一些进程状态。在解释进程状态的过程中，博主还会穿插一些操作系统一些重要概念！本篇干货满满，请大家不要吝啬一键三连哦！

前言

那么这里博主先安利一下一些干货满满的专栏啦！

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什么是进程的pcb结构体

首先，我们先要复习一下操作系统概念中的一句很重要的话：先描述，再组织

这其实就是pcb结构体存在的意义

进程的描述

在OS中，对于每一个进程，操作系统都会维护一个pcb结构体来管理每一个进程，每个pcb结构体里面存了有关该进程的信息。

而在Linux操作系统中，pcb结构体成为task_struct结构体

task_ struct内容分类：

标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。

状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。

优先级: 相对于其他进程的优先级。

程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。

内存指针: 包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针

上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据[休学例子，要加图CPU，寄存器]。

I/O状态信息: 包括显示的I/O请求,分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表。

记账信息: 可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。

其他信息

进程的组织

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。查看进程。

广泛意义上的进程状态

广泛意义上的进程状态，其实就是我们在高校计算机科学与技术专业中所修的《操作系统原理》课程中对进程的解释。

这里大家要注意：这种解释是非常广泛的，也就是它可以针对于任何一种操作系统进行解释，都是正确的。但是我们在学习过程中，我们需要深入学习一种操作系统的进程状态，而不是广泛的学习，因此，下一节博主会详细介绍Linux操作系统的进程状态。

此时，我们随便在网上找一张图，其实大同小异，如图所示是博主在写博客时随便找的一张图。

在这里，博主会抓住几个重要的状态进行详细讲解，其余的状态，博主只需要稍微提一下，大家就能够明白了。

新建、运行、阻塞、挂起、死亡

新建

这个状态就是字面意思，进程刚被创建的时候的状态。

概念补充：

这里博主要给大家补充一个概念。在我们的操作系统中，cpu会维护一个叫做运行队列的数据结构。

该数据结构上链接的就是我们进程的pcb结构体。cpu会根据一定的调度算法（调度器决定），对运行队列中的pcb进行运算，即对里面的进程进行运算。（注意：cpu会根据调度算法决定进程的运行顺序，而不是像普通队列一样先进先出）

其中，新建状态指的是，进程的pcb刚被创建，但是还没有进入运行队列时候的状态。（其实在现实操作系统中，并不会存在这种状态，因为pcb结构体一被创建，一般就会直接进入cpu的运行队列中了）

运行

一个进程处于运行态：该进程的pcb在cpu的运行队列中排队或被cpu计算时的状态。

这里要纠正一个常见的误区，运行态不仅仅代表该进程的代码正在被运行，在排队也算运行态。

对于在cpu的运行队列中排队，我们给一个专业的描述：等待cpu资源就绪

阻塞

进程正在等待非cpu资源就绪。（非cpu资源：网卡、磁盘、键盘等）

挂起

如图所示

当内存不足的时候，OS通过适当的置换进程代码和数据到磁盘上时，该进程的状态

其他的状态博主在详细介绍Linux操作系统的进程状态时给大家解释。

Linux操作系统的进程状态

在介绍状态之前，博主先给大家准备好要用的代码文件

先把Makefile和myproc.c准备好

在大家对Linux的命令行和vim的相关操作十分熟悉后，博主认为大家可以用vscode连接云服务器了，在此之前，博主还是建议大家多操作命令行。

后面我们的代码就在myproc.c中操作，然后make即可。

博主再提供一条打印系统上正在运行进程的脚本命令：

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep myproc | grep -v grep; sleep 1; done

其中ps axj打印进程，head -1 打印表头，ps axj | grep myproc 打印一个叫myproc的进程，grep - v grep表示不打印grep这个进程（因为我们调用grep搜索，grep这个进程也在跑，Linux中每一条命令都是一个可执行程序，这个大家应该都很熟悉了）while括起来一秒打印一次。

R状态

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    while(1)
    {
        //printf("I am a process!\n");
    }
    return 0;
}

我们make一下，用脚本打印一下进程，如图所示

R状态就是运行态，而后面的‘+’代表该进程是一个前台进程。

前台进程

该进程在前台运行，即当我们开启一个命令行（bash）运行该进程，该进程在运行结束之前会占有当前bash，命令行的表现就是：卡住了。

前台进程我们可以通过ctrl C终止，如上图所示。

展示一个R状态的后台进程

那么我们要如何终止该进程呢？

其中一种方式是通过kill命令，并带上9号信号去终止。（现在我们只需要知道kill -9怎么用即可，细节我们不展开）

讲到这里，我们运行态就讲完了。

从现在开始，博主将不对进程状态后面的+做解释，+就是前台进程的意思，仅此而已。

S状态

对应于我们广泛意义上的阻塞状态（睡眠态）

意味着进程正在事件完成（等待某种非cpu资源）

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    while(1)
    {
        printf("I am a process!\n");
    }
    return 0;
}

此时我们肯定会抛出一个疑问：这个代码和R状态的验证代码是一样的，为什么这个会是S？

大家先别急，我们先验证一下。

此时我们发现，状态中，即有R也有S，这是为什么。

我们大家都知道，我们打印一句话，其实对于操作系统来说，就是一次IO操作。

IO操作的速度是非常慢了，其速度远不及cpu的运算速度。因此一开始我们打印语句，显示器可以跟上cpu的脚步，我们打印的就是R。后面逐渐显示器跟不上了，此时，进程正在等待显示器资源的就绪！因此就是S状态！

此时的S状态是可中断睡眠

可中断睡眠，即我们可以给这个进程发信号！

如果我们ctrl C，会把这个进程杀掉。

如果我们发送kill -9 信号，会把这个进程杀掉。

如果我们发送kill -19 信号，会把这个进程暂停。

在这里我们先不讨论暂停是什么，我们只需要知道，此时的S状态，是可中断睡眠！

D状态

睡眠状态（磁盘睡眠）不可被中断，不可被唤醒！

一个小例子，给大家解释清楚

今天在我们自己的服务器上，我们是无法演示D状态的，因此，通过上面一个小例子的解释，希望大家能明白什么是D状态即可。

dd命令可以演示D状态，有兴趣的伙伴可以查一下如何去操作。

T状态

暂停或调试状态

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。

X状态

我们知道，当一个进程执行完之后，它的资源（task_struct结构体等）资源是需要回收的。

如果操作系统中存在大量的进程个需要同时终止，如果OS不能马上回收所有资源。

此时正在等待资源回收的进程就是X状态，注意：此时这个进程已经死了，它只是在等待回收而已

这是一个瞬时性的状态，我们很难在命令行中看到。

Z状态僵尸状态

僵尸进程(Zombies)是一个大话题，我们想要完全理解他，需要从是什么？为什么？怎么办？三个角度进行理解。

今天博主将会带着大家理解前两个问号，第三个问号博主会专门再写一篇博客进行讲解！

僵尸状态：当一个进程，死掉的时候，不能被OS立刻清理，还在被检测，被调查死因的时候的状态，叫做僵尸状态！

僵死状态(Zombies)是一个比较特殊的状态。

当进程退出并且父进程(使用wait()系统调用,后面讲) 没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程

僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。

所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态

模拟僵尸状态的一个代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id > 0)
    { 
        //parent
        printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
        sleep(30);
    }
    else
    {
        printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    return 0; 
}

运行结果：

僵尸进程危害

进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程(父进程)，你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态?是的!

维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护！

那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，就会造成内存资源的浪费！因为数据结构对象本身就要占用内存，如C语言的结构体，是需要开辟空间的！

如果是C++，析构函数一直都没有被调用！

因此会造成内存泄漏！

如何避免?我们以后再讲，这里不展开了了。

讲到这里，我们所有值得关注的进程状态就已经全部讲完了！下面我们来看看另一种进程

孤儿进程

僵尸进程是子进程先退出。

那如果父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程” ！

孤儿进程不能没有父进程！没有父进程谁来回收他的资源呢？因此它会被被1号init进程领养，由1号进程（init 即系统本身）回收！

代码如下：

让父进程先结束

#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; 
}