【把Linux“聊”明白】进程的概念与状态

进程

友情专栏：【把Linux“聊”明白】

前言

有了上篇文章的基础上，我们在学习进程之前，要知道，操作系统是怎么管理进行进程管理的呢？很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来！ 通过将每个进程的属性信息封装成数据结构，并以链表等组织形式进行管理，操作系统实现了对进程的创建、调度、终止等全生命周期管理。

一、基本概念与操作

1-1 基本概念

先来看课本与内核对于进程的解释：

课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等； 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

听起来都太抽象，在这里，我们可以理解为进程 = 内核数据结构对象 + 自己的代码和数据，如下图所示：

在这里插入图片描述

可以看到，每个进程都对应着其内核数据结构对象和自己的代码和数据，我们可以把其内核数据结构用类似链表的结构连接起来，那么对于进程的管理，就变成对链表的增删查改了。

1-2 PCB

内核数据结构我们又称为PCB (Process Control Block)，即进程控制块。可以理解为进程属性的集合。简单说，它就是描述进程的结构体。 我们通过PCB，就可以直接或者间接的找到进程的所有属性。 在Linux中，具体的PCB是task_struct，PCB是课本的说法。 task_struct是Linux内核的⼀种数据结构，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

1-3 task_struct

既然task_struct是描述进程的结构体，那么它里面详细有什么呢？简单看一下：

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。 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……

1-4 查看进程

在这里，我们要知道，我们历史上执行的所有指令（内建命令除外）、工具、自己的程序，运行起来，都是进程！ 很好理解，现在我们来了解一下如何查看进程呢？

1. 通过/proc系统文件夹查看

如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个⽂件夹。

在这里插入图片描述

1. 使用top和ps这些用户级工具 我们可以先建一个一直循环的程序来进行测试：

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

int main()
{
	while (1) 
    {
		printf("hello world\n");
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myproc | grep -v grep

ps ajx：使用特定的格式选项显示进程信息 其它命令组合，就是帮助我们既能清晰看到表头信息，又能准确找到目标进程，排除干扰项所用。

补充：

在这里插入图片描述

1-5 通过系统调用获取进程标示符

在这里插入图片描述

pid与ppid：

进程id（PID） 父进程id（PPID）

使用一下：

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

int main()
{
    printf("pid：%d\n",getpid());
    printf("ppid：%d\n",getppid());
    return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

我们可以对ppid进行搜索

在这里插入图片描述

哦，bash？ 说明：bash（命令行解释器）也是一个进程。 我们要知道，OS会为每一个登录的用户，分配一个bash。

补充： exe和cwd 它们是进程对应的两个属性，我们可以在 /proc 下查看进程对应的属性：

在这里插入图片描述

执行命令后可以看到：

在这里插入图片描述

解释：

exe ：指向启动该进程的可执行文件的完整路径。它告诉你这个进程是由哪个程序文件创建的。 cwd ：Current Working Directory 的缩写，代表进程的当前工作目录。像我们在C语言中的fopen函数，以写的形式打开文件…，如果我们没有指定路径的话，就会默认在当前路径，即根据cwd来确定路径。

1-6 通过系统调用创建进程

我们是通过fork函数来进行创建子进程的，我们可以来查看一下man手册：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

fork有两个返回值，我们可以这样理解，父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝），现阶段只能这样理解。

使用：

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

int main()
{
    pid_t ret = fork();
    if(ret == -1)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0)
    {
        printf("我是子进程，我的pid是：%d\n",getpid());
    }
    else if(ret > 0)
    {
        printf("我是父进程，我的pid是：%d\n",getpid());
    }
    return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

啊，两个判断条件都成立嘛，和我们以前的说法不一样呀，一组if else只能同时成立一个呀！！！

不着急，分析：

在这里插入图片描述

上述的说法不是很标准，但是对于我们现阶段理解是足够了，因为我们现在什么都不懂，讲太深直接绕进去了。

所以，在fork之后，父子未来执行不同的代码逻辑。

有了刚才的说明，下面，我们再来对会出现的疑问进行解释：

1. fork为什么会有两个返回值？ 在父进程中：fork() 返回子进程的ID（一个大于0的数） 相当于说：“我是爸爸，我得到了儿子的身份证号” 在子进程中：fork() 返回 0 相当于说：“我是儿子，我的身份标识是0” 方便后续管理。
2. 两个返回值各自是如何返回给父子？

在这里插入图片描述

1. 一个变量如何能让if和else if 同时成立这个问题，需要在后面才能解释清楚，我们这里简单澄清几个点 实际上，一个变量不可能同时让 if 和 else if 条件成立，只是表面看起来一样，底层已经发生了很大的变化了； 也就是说，两个独立的进程各自执行自己的代码路径，都有ret这个变量。 目前，只能说这些，后续的虚拟地址空间会给我们揭晓答案的。

1-7 进程具有独立性

看代码：

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

int main()
{
    int cnt = 100;
    pid_t ret = fork();
    if(ret == -1)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0)
    {
        cnt+=100;
        printf("我是子进程，我的pid是：%d，cnt的值为%d\n",getpid(),cnt);
    }
    else if(ret > 0)
    {
        printf("我是父进程，我的pid是：%d，cnt的值为%d\n",getpid(),cnt);
    }
    return 0;
}

输出：

在这里插入图片描述

可以看出，进程具有独立性。 现阶段可以这样理解：把父子任何一方，进行数据修改，OS会把被修改的数据在底层拷贝一份，让目标进程修改这个拷贝。（写时拷贝）

有了进程的基本概念，我们来看一下进程的状态吧。

二、进程状态

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。

2-1 运行-阻塞-挂起

首先，我们要知道，一个CPU（单核），一个调度队列（运行队列），如下图：

在这里插入图片描述

也可以说，只要挂载到调度队列，即处于运行状态。

对于阻塞，我们来想一个在C语言中写的scanf函数，它在等待用户输入的时候，进程就处于阻塞。此时，该进程就会被从运行队列中删除，从而挂载到等待队列（wait_queue）中，等待用户输入。阻塞就是等待某种设备或资源就绪。

但是，在有些时候，内存的空间严重不足，我这个进程又处于阻塞状态，那我们可不可以把此进程对应的代码和数据放到磁盘上呢（唤入），在需要的时候又加载进内存呢（唤出），这就叫做阻塞挂起，此时，进程的task_struct又会被挂载到类似于阻塞挂起的队列。

都挺合理，但是，一个结构体（task_struct）怎么会链接在多个队列中呢？ 其实，这种链接形式并不是我们在链表中学的那种，在结构体中直接定义一个结构体指针，而是存在一个struct list_head结构体：

struct list_head
{
		struct list_head *next, *prev;
}

在进程的task_struct中存在多个struct list_head，从而实现一个进程挂载在多个队列中。类似于：

在这里插入图片描述

要通过struct task_struct 中的 struct list_head找struct task_struct，也很简单，利用相关结构体的知识来计算。不做说明了。

可见，进程状态的变化，表现之一，就是进程在不同的队列中流动，本质就是链表的增删查改。

2-2 Linux内核源代码怎么说

在kernel源代码里定义的进程状态：

/*
 *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 *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 */
 };

简单说明：

R运行状态（running）：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。 S睡眠状态（sleeping）：意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠（interruptible sleep））。浅睡眠。 D磁盘休眠状态（Disksleep）：有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptiblesleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束。深度睡眠。 T停止状态（stopped）：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死亡状态（dead）：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 僵尸状态 （Zombie）：进程已经执行完毕，但其退出状态还没有被父进程读取。（后面会重点说）

在这里插入图片描述

2-2 进程状态查看

命令：ps aux / ps ajx 解释：

a：显示一个终端所有的进程，包括其他用户的进程。 x：显示没有控制终端的进程，例如后台运行的守护进程。 j：显示进程归属的进程组ID、会话ID、父进程ID，以及与作业控制相关的信息。 u：以用户为中心的格式显示进程信息，提供进程的详细信息，如用户、CPU和内存使用情况等。

2-3 僵尸进程——Z(zombie)

我们创建子进程的目的，就是为了让子进程完成某种事情的。那子进程完成了吗？对应结果相关的信息，父进程得知道吧。这些信息在哪里呢？子进程对应的task_struct中。 所以，在子进程执行完相关的代码后，子进程对应的代码和数据会被清理，但是，子进程对应的task_struct不会被清理，而是将子进程的状态设置为Z。然后，等待被父进程接受相关退出信息。

所以，

僵死状态（Zombies）是⼀个比较特殊的状态。当子进程退出并且父进程（使用wait()系统调用，后续说）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。

现在，我们来模拟一个僵尸进程。

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

int main()
{
    pid_t ret = fork();
    if(ret == -1)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0)
    {
        //child
        int cnt = 5;
        while(cnt--)
        {
            printf("我是子进程，我的pid是：%d,父进程pid是%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else if(ret > 0)
    {
        while(1)
        {
            printf("我是父进程，我的pid是：%d\n",getpid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

编译执行

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

此时的defunct指的就是：进程实体已死亡，但残骸（task_struct）还在。

如果父进程一直不接受呢？——僵尸进程的危害

2-4 僵尸进程的危害

明确几点：

1. 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。可父进程进程如果⼀直不读取，那子进程就⼀直处于Z状态？ 是的！
2. 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？ 是的！
3. 那⼀个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！
4. 会造成内存泄漏? 是的！

至于如何避免？到进程等待时会说明。

2-5 孤儿进程

僵尸进程指的是子进程想退出发生的情况，那如果父进程先退出呢？ 父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？ 父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程” 孤儿进程被1号init进程领养，当然要有init进程回收喽。

模拟孤儿进程

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

int main()
{
    pid_t ret = fork();
    if(ret == -1)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0)
    {
        //child
        while(1)
        {
            printf("我是子进程，我的pid是：%d,父进程pid是%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else if(ret > 0)
    {
        int cnt = 5;
        while(cnt--)
        {
            printf("我是父进程，我的pid是：%d\n",getpid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

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我们可以用信号来杀。

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总结

理解进程状态转换和生命周期管理，是掌握操作系统工作原理的关键基础。后续我们将继续深入进程通信、进程调度等高级话题。