【Linux 学习计划】-- 进程状态 | 进程运行、阻塞和挂起的本质 | 并行、并发与进程切换 | 进程优先级
目录
进程状态
五状态进程模型
运行、就绪状态的本质
阻塞状态的本质
挂起状态
并行与并发
进程切换
进程优先级
结语
进程状态
进程状态的本质是什么？
首先我们知道，在操作系统中，进程是需要被管理起来的，具体则是用一个struct（task_struct）描述进程本身，接着再用内核数据结构将所有的进程管理起来，这也就是所谓的先描述，再组织
而我们的进程状态，本质就是task_struct里面的其中一个属性，仅此而已（比如是一个个的int）
这就是内核中关于进程状态的描述
接下来我们详细讲讲这里面的 7 个进程状态
第一个是R状态
首先需要提前说的是，我们在Linux中是可以用指令查到进程状态的，也就是ps命令
我们来看这样一个代码，我们可以看到这其实就是一个死循
然后当我们将进程跑起来之后，我们再来看一看这个进程的状态：
我们可以看到，这里显示的确实是R（R+中的+代表前台执行，不需要管）
这其实也就代表说，当进程处于R状态的时候，代表进程正在运行或者准备运行
S状态
S状态表示进程正在可中断睡眠状态，简称睡眠状态，s也就是sleep
来看这样一组代码：
我们能看到，这里和死循环的唯一区别就是，他有在打印一行字符串
这时我们将进程跑起来，然后看看进程状态：
我们能看到，仅仅只是将加了一行打印，就变成了一直在睡眠
这其实是因为，我们CPU运行速度过快，而我们的显示器是外设，将数据拷贝到外设的速度比CPU的运算速度慢多了，所以进程大部分的时间并不是在运行，而是在等数据拷贝到显示器上，然后再运行
所以从理论上来说，如果我们运气好的话，是能看到一两个R状态的，只不过主包今天运气不是很好，就不做演示了
T状态
可以看到，我们现在用kill命令将进程停止了之后，进程的状态自动就变成了T，这也是停止状态
t 状态（tracing stop）
这个状态其实也是停止，和上面的 T 状态其实差不多
但是这个和 T 不一样的就是，他是调试专属的状态
试想一下，我们的调试本身就是进程已经在跑了，然后我们给他打断点，让他停在某一个位置，所以这其实也是一种进程的暂停，如下图：
左边是在用gdb调试代码，右边显示状态的时候就是 t 状态（前提是gdb是用 r 跑起来的并且打了断点）
z 僵尸进程
什么是僵尸进程呢，先来举一个例子：
如果一个人si了，那么警cha到了之后第一反应应该是封锁现场，等法医过来收集完信息之后，才会清理现场，办理后续的各种事情
而我们的进程也是一样的，如果一个进程没了，那么也需要有进程回收他，而这个进程一般情况下都是父进程（孤儿进程或者waitpid都是os直接回收）
那是否有这么一种情况，父进程还在，但是子进程已经挂掉了，这个时候父进程还没有干完自己的事情，所以是没有办法回收子进程的，只有等父进程也退出之后，才会回收子进程
那如果父进程一直不回收子进程，那么子进程这个时候将会一直是僵尸进程
如下：
我们写一个简单的fork，然后我们再在外面使用kill -9直接将子进程杀掉，这时候再去查看子进程的状态，我们就能看到 Z 状态了
可以看到，当我们将子进程给 kill 掉之后但是父进程一直不回收，这时候子进程将会一直是 Z 状态
而且很关键的一点是，如果我们在未来写了一些项目几万行代码，你甚至都不知道有僵尸进程的问题，那么父进程一直不回收，子进程将会一直 Z，Z 的时候，子进程的代码和数据都没释放掉了，之后对应的task_struct还在，因为要等父进程拿完对应的子进程的信息之后才会被释放
那么，子进程将会一直占用内存资源，这也就造成了一个大问题——内存泄漏
而在未来，我们将会学到使用waitpid等待，最后子进程完成任务退出之后将会被等待，最后直接被os拿信息接着释放，这样就不会内存泄漏了，但这不是今天你的重点，这里就不做讲解了
X状态（死亡状态）
这是一个瞬时状态，只会出现在进程死亡的一瞬间
D状态（不可中断睡眠状态）
这个状态和前面的 S 状态其实多多少少有点联系，这里就讲一个小故事：
当我们有重要的业务的时候，我们的进程就是D状态
比如在银行，如果今天这个进程要将一万个用户的转账数据放到内存中，但是如果放到一般，因为如果没有D的话，那么进程就将是S状态（睡眠），所以如果OS比较紧张的话，那么就有可能将这个进程直接kill掉或者直接打断然后派发其他任务，那么这时候数据就流失了
所以这种时候就是D状态，意味着不可被打断，你就是再怎么紧张，你也不能动我，这就是D
孤儿进程
这是进程的一种，有这么一种情况，也就是，如果父进程没了，但是子进程还在呢？那么子进程这时候如果也没了，那么数据应该被谁回收
首先父进程如果是第一个在程序里被开辟的，那么父进程的父进程就是bash，他会被bash回收，那么这时候子进程就变成了孤儿进程
直接说结论，这时候子进程会被 1 号进程（其实就是bash）领养，最后由bash进行善后处理
五状态进程模型
我们会看到，这个五状态进程模型，和我们上面讲的各种状态一个都对不上啊
其实不是对不上，而是因为本身的性质就不一样
我们的五状态进程模型是理论，而上面说的S、D、t、T等等，这些是Linux的具体实现
比如运行状态和就绪状态，这不就是R吗，阻塞，就是S等等
接下来我们直接来讲一讲，运行状态与就绪状态的本质，阻塞状态的本质，挂起状态的本质
运行、就绪状态的本质
我们来看这样一张图片，首先我们在内存中是有一个runqueue的，也就是运行队列
我们将进程管理起来之后，还需要将等待运行的队列放进runqueue这个内核数据结构中管理起来
这也就代表，只要你是被链进runqueue里面的进程，那么就是就绪和运行状态
当然你也可以这么理解，因为后续进程还需要被放进cpu中执行相关任务，你可以理解成：放在runqueue中但是还不在CPU的就是就绪状态，也就是已经准备好了，等待运行，而被CPU调度的进程则是运行状态
而在Linux中，无论是就绪状态还是运行状态，都是用 R 来表示的
阻塞状态的本质
在我们之前写代码的时候，一定会用过scanf函数
当我们将程序跑起来的时候，如果我们不在键盘上输入数据，那么进程将会一直停在那个地方
这其实就是所谓阻塞状态了，而这个状态下，进程自然就不会停留在runqueue中
那么进程会在哪里呢？
首先我们的外设都是硬件，而操作系统如果要管理外设的话，就需要驱动层的帮助，而驱动层是经过struct描述且用特定数据结构管理起来的软件
而我们外设的驱动中会有这么一个字段，叫做wait_queue（等待队列）
当我们的进程需要用外设参与操作的时候，这时候在我们看来，其实就是阻塞了
而阻塞的进程就不应该再浪费CPU资源了，所以就不能放进runqueue里面，而是会被放进对应驱动软件中的等待队列字段里面
如此一来，当我们的外设完成了对应操作之后，进程重新加载到runqueue中，这就是阻塞状态的本质了
挂起状态
当我们的内存空间过于紧张的时候，就会有挂起状态的出现
我们在磁盘当中有一个区域叫做——swap分区
当我们的磁盘空间严重不足的时候，就会出现这么一个情况：一个进程可能暂时在执行别的不需要他管的任务，或者是一些其他的进程，os 会将他们全部移动到磁盘（外设）的swap分区上
这样省出来的空间，就可以供操作系统做别的事情
等晚些这个进程要被用到的时候，再从swap分区中移动回来
但是这也会导致一个问题，也就是效率
在日常使用的感受就是——卡
因为OS中最消耗时间的就是拷贝数据问题了，现在还要将数据从内存拷贝到外设，要用的时候再从外设拷贝回来，这显然占用了很大一部分的效率
但是注意，这里的前提条件是，内存很紧张，所以这也是一种时间换空间的做法
并行与并发
我们刚刚说到了runqueue，那么进程在操作系统中到底是怎么运行的呢？
我们看到这张图，我们的进程会一个一个地被加载到CPU里面接着进行调度
但是又有不一样的地方，即他是用时间片轮转的方式进行进程调度的
一般来说，如果我们将一个进程调度完之后，才跑下一个进程，那其实不是很合理且不现实
比如我们今天打开一个网易云音乐，这个软件现在正在跑，我们就打开不了其他软件了吗？当然不
所以在OS中，他会给每一个进程一个特定的时间段，过了这个时间段就直接中止这个进程转而执行下一个进程
一直反复这个过程，只要转换的速度够快，我们人其实是察觉不出来的，就达到了每一个软件，每一个进程都在同时跑的效果
这就叫做并发
那么什么是并行呢？
我们上面的并发是只有一个CPU的情况下，很多进程在一个CPU下进行轮转调度
而并发就是现在不止一个CPU，由多个CPU同时在进行进程轮转调度的工作，这就是所谓并行了
进程切换
这个其实是接着并行与并发这两个知识点的，我们要讨论的是，进程的并发是如何进行的
我们来看这张图，首先我们进程要想加载到CPU中的话，数据是必须要拷贝到CPU中的
而CPU中的寄存器就可以暂时保存这些数据
接着，当我们这个进程运行到一半的时候，突然时间到了，他需要被切换了，那么他就需要将这些数据全部保存下来，不然的话，下次再轮到他的时候，不就相当于没跑过吗
为了保存这些数据，所以我们的PCB也就是task_struct中有专门的结构体类型，就是用来保存上下文数据的
当我们要切换进程的时候，CPU里面的寄存器的数据就会被拷贝到task_struct中的特定字段，然后再运行下一个进程
等到下一次再回到这个进程的时候，就可以将上一次保存下来的上下文数据全部放进去继续跑了
这就是所谓进程切换了
将个故事：你是一名大学生，今天你想去当兵，那么你就需要先和辅导员打个招呼，这就相当于是将CPU中寄存器的数据加载进进程的特定字段中，然后你就去入伍了。两年回来以后，你会学校还是要和辅导员打个招呼，接着就是恢复学籍数据等等，这一步其实就是将进程中的数据重新加载回CPU进行调度了
进程优先级
顾名思义，就是哪个进程最先调度
更重要的进程就需要更高的优先级
那么和上面的进程状态一样，进程的优先级其实也只是进程PCB里面的一个字段而已，这个我们可以在命令行中直接查看到：
（使用的是 ps -al 命令）
但是这里面有两个值得注意的字段：一个是最新的优先级的值，还有一个就是nice值：
这也就意味着，我们的进程优先级是可以更改的，只不过更改的方式只是更改nice值
这里更改nice值有很多方式，比如renice，但是主包这里直接用 top -> r -> 进程pid -> 你要的nice值
但是我们可以看到，这里面的优先级最多就是到了99，而nice值则是19
这是因为我们的nice值是有范围的，也就是 -20~19
再加上默认的进程优先级就是80，所以进程优先级的范围就是 60~99
结语
这篇文章到这里就结束啦！！~(￣▽￣)~*
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