【Linux操作系统】简学深悟启示录：进程状态优先级

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），同时谁先运行也是很重要的

1.进程状态

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 */
};

进程状态在 Linux 系统里大致分为这几种

1.1 运行态R

我们知道每个进程是一个 task_struct 具体化的 PCB，以双向链表链接在一起，当需要运行进程时，CPU 会调用头指针，依次调度，如果有新的进程的话，就用尾指针加入到队列后面就行了

运行态R 指的不是正在运行，而是完全准备好了，可随时被调度器调度分配时间片给 CPU，每个时间片大概是 10ms，并不是一个进程全部运行完了才运行下一个，而是每个进程运行一点就被放下来，不断 进程切换，这样可以保证进程不会等待太久而被误杀，所有的进程会在一个时间段内被执行，叫做 并发执行

1.2 阻塞态S（浅度睡眠）

如图所示，对于设备来说在操作系统里也有一个队列链接起来，举个例子，当某个进程在等待键盘输入数据用于读取时，该进程会从原本的运行队列被链入到键盘的队列中，等待键盘该外部设备输入数据，该状态就叫做 阻塞态S

由于 CPU 的速度远远大于设备，因此捕捉运行中的状态很大概率都是 S 状态

1.3 阻塞态D（深度睡眠）

阻塞态其实有两种状态，假设有一个进程要往磁盘中写入 1GB 数据，此时写入到一半的过程中，磁盘的空间满了，该进程就有可能因为写入失败而被操作系统杀掉，数据代码等都没有了，万一这些数据很重要不就完犊子了吗？因此可以将进程设置为 深度睡眠的阻塞态D，相当于提示系统不能杀掉该进程，很重要！可以随时杀掉或唤醒的进程就是 浅度睡眠的阻塞态S

一般来说，出现一个 D 状态就说明该系统快崩溃了，有多个 D 状态进程说明这个系统基本已经崩溃了

1.4 挂起态T

系统中的进程只要处于闲置状态，一般都可以属于挂起状态，就拿阻塞态来说，当操作系统的内存资源严重不足的时候，就需要调整资源，会将一些不那么重要的进程，保留其 PCB，数据代码放到磁盘的 swap 区保存，此时就处于 挂起状态，当需要的时候再把数据交换回去就好了，T 状态出现的时间很短，一般很难捕捉到

1.5 挂起态t（追踪）

当进程被调试器（如 gdb）追踪时，会显示为小写 t 状态。此时进程因调试需求被暂停，等待调试指令（如断点处）

1.6 终止态X

X 状态的全称是 TASK_DEAD，表示进程已经完成执行，正处于退出清理阶段。当一个进程终止（无论是正常退出、被信号终止还是崩溃），内核会：

• 回收进程占用的资源（如内存、文件描述符）
• 更新进程表信息（如设置退出码）
• 最终将进程标记为 X 状态，等待父进程通过 wait() 系列系统调用 “回收”（即清理进程表项）

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

1.7 僵尸态Z（僵尸进程）

其实在 终止态X 之前还存在一个父子关系的状态：僵尸态Z，我们将以如图代码为例子，理解僵尸进程

当子进程终止之后，原先的 S 状态就会变成 Z 状态，子进程的 PCB 释放大部分资源，但是仍然有一部分资源（如进程 ID、退出码、终止原因，尤其是 task_struct 结构体）需要父进程通过 wait() 或 waitpid() 等系统调用回收子进程，获取其退出信息并彻底清除残留数据

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，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！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语言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！内存泄漏如何避免？后面讲

1.8 孤儿进程

孤儿进程是指其父进程已经终止或退出，而自身仍在运行的子进程

正常情况下，子进程由父进程创建并管理，父进程会监控子进程的运行状态。但如果：

• 父进程意外崩溃或被强制终止（如收到 SIGKILL 信号）
• 父进程正常退出但未正确处理子进程

此时，仍在运行的子进程就会成为孤儿进程，因为到最后都是需要退出这个进程的，此时子进程的父进程会变成 1 号进程（操作系统），相当于被操作系统领养了，所以叫 孤儿进程

2.进程优先级

2.1 查看优先级

[zzh_test@hcss-ecs-6aa4 zombie]$ ps -al
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S  1002 32721 32562  0  80   0 -  1054 hrtime pts/0    00:00:00 zombie_test
1 Z  1002 32722 32721  0  80   0 -     0 do_exi pts/0    00:00:00 zombie_test <defunct>
0 R  1002 32746 32723  0  80   0 - 38332 -      pts/1    00:00:00 ps

利用 ps -al 命令查看，PRI 表示优先级，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU 执行的先后顺序，此值越小，进程的优先级别越高，那 NI 呢?就是我们所要说的 nice 值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值，PRI 值越小越快被执行，那么加入 nice 值后，将会使得 PRI 变为：PRI(new)=PRI(old)+nice

这样，当 nice 值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行，所以，调整进程优先级，在 Linux 下，就是调整进程 nice 值，nice 其取值范围是 -20 至 19，一共 40 个级别

2.2 修改优先级

修改优先级用 top 命令更改已存在进程的 nice

按 R 键进入修改 nice 值的模式，然后输入对应正在运行的进程的 PID

接着输入范围 -19~20 的 nice 值进行修改

可以看到优先值确实被调整了，一般来说是不需要调整的，只有特定的情况需要调整

2.3 优先级调度本质

CPU 中有一个 runqueue 结构体，存有一个 waiting 哈希表（wait 指针指针指向该表）和一个 running 哈希表（run指针指针指向该表），由于进程太多了，实际上这个哈希表是个位图，按照特定的计算方式将进程放到比特位里，对于优先级的进程来说，进程 [60,99] 对应比特位 [100,139]，[0,99] 是别的种类的进程，每个进程 task_struct 按照优先级从上往下，从左到右挂在 running 哈希表，运行完之后就挂到 waiting 哈希表相应的优先级位置，在这过程中可能会有些新创建的进程或者等待的进程，那么将这些进程放在 waiting 哈希表即可，当 running 哈希表执行完之后，其被指向的 run 指针，和 waiting 哈希表的 wait 指针交换，就能调度另一个队列变成运行队列了，依次循环往复即可

🤔那么如何判断该队列已经调度完了？

由于我们这个是位图，只要遍历一遍，每个比特位上是 0 就能判断已经调度完了

3.其他概念

• 竞争性： 系统进程数目众多，而 CPU 资源只有少量，甚至 1 个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级
• 独立性： 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰
• 并行： 多个进程在多个 CPU 下分别，同时进行运行，这称之为并行
• 并发： 多个进程在一个 CPU 下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发
• 上下文数据： 简单而言即为临时数据，进程切换时，部分上下文数据会被保存到寄存器方便下一次直接启动进程

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