Linux进程状态

1.进程状态

状态在Kernel源码中的定义：

static const char * const task_state_array[] = {
    "R (running)", 
    "S (sleeping)", 
    "D (disk sleep)", 
    "T (stopped)", 
    "t (tracing stop)", 
    "X (dead)", 
    "Z (zombie)", 
};

• 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（也叫做可中断睡眠)
• D-- 磁盘休眠状态（Disk sleep）也叫不可中断睡眠状态，在这个状态的进程通常会等待IO的结束
• T-- 停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止进程。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) : 已经死亡的进程, 依然占着某些资源

可以通过ps aux / ps axj 命令查看进程状态

2.运行状态R

只有该状态下的进程才有可能在CPU中执行，为什么说是可能呢？因为在Linux下，正在运行和就绪(在运行队列中, 要拿到时间片才能运行)的进程都视作运行状态。Linux 下 R 状态的进程的task_struct结构 (PCB) 被放入对应的CPU的可执行队列中（一个进程最多只能出现在一个CPU的可执行队列中)。

进程调度器的任务就是从各个CPU的可执行队列中分别选择一个进程在该CPU上行。

3.睡眠状态S（可中断睡眠）

处于这个状态的进程因为等待某个事件的发生，比如wait()阻塞，而被挂起。 这些进程的task_struct被放入对应事件的等待队列中。当等待的事件发生时（由外部中断触发、或由其他进程触发），对应等待队列中的这个睡眠状态的进程被唤醒。通过ps命令我们会看到，一般情况下，进程列表中的绝大多数进程都处于S 状态。

如下代码：子进程由于sleep进入S状态，父进程由于wait阻塞等待子进程退出，也处于S状态。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
int main(){
    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0){
        sleep(10);
        _exit(0);
    }
    wait(NULL);
    return 0;
}

4.磁盘休眠状态D（不可中断睡眠）

与S状态类似，D状态进程也处于 “睡眠状态”，但是此刻的睡眠是不可中断的。不可中断指的并不是CPU不响应外部硬件的中断，而是指进程不响应异步信号。绝大多数情况下，进程处在睡眠状态时，总是应该能够响应异步信号的。否则你将惊奇的发现，kill -9竟然杀不死一个正在睡眠的进程了！

我们也很好理解，为什么ps命令看到的进程几乎不会出现D 状态，而总是S状态。而 D 状态存在的意义就在于，内核的某些处理流程是不能被打断的。 如果响应异步信号，程序的执行流程中就会被插入一段用于处理异步信号的流程（这个插入流程可能只存在于内核态，也可能延伸到用户态），于是原有的流程被中断了。在进程对某些硬件进行操作时（比如进程调用read系统调用对某个设备文件进行读操作，而read系统调用最终执行到对应设备驱动的代码，并与对应的物理设备进行交互），可能需要使用 D 状态对进程进行保护，以避免进程与设备交互的过程被打断，造成设备陷入不可控的状态。这种情况下的 D 状态总是非常短暂的，通过ps命令基本上不可能捕捉到。

5.停止状态（T） & 跟踪状态（t）

向进程发送一个SIGSTOP信号，它就会因响应信号而进入T状态（除非该进程本身处于 D 状态而不响应信号 )。SIGSTOP与SIGKILL(无条件终止)信号一样，是非强制的。不允许用户进程通过signal系统的系统调用重新设置对应的信号处理函数。向进程发送一个SIGCONT信号，可以让其从 T 状态恢复到 R 状态。

当进程正在被跟踪时，它处于 t 这个特殊的状态。“正在被跟踪”指的是进程暂停下来，等待跟踪它的进程对它进行操作。比如在gdb中对被跟踪的进程设置一个断点，进程在断点处停下来的时候就处于 t 状态。而在其他时候，被跟踪的进程还是处于前面提到的那些状态。对于进程本身来说，T 和 t 状态很类似，都是表示进程暂停下来。

而 t 状态相当于在 T 之上多了一层保护，处于 t 状态的进程不能响应SIGCONT信号而被唤醒。只能等到调试进程通过ptrace系统调用执行PTRACE_CONT、PTRACE_DETACH等操作 (通过ptrace系统调用的参数指定操作), 或调试进程退出，被调试的进程才能恢复 R 状态。

6.死亡状态X（退出状态）

进程即将被销毁时的状态，死亡状态是非常短暂的，几乎不可能通过ps命令捕捉到。

7.僵死状态Z

在进程退出过程中，进程所占有的所有资源都将被回收，除了task_struct结构 (以及少数资源) 不立即释放。但当一个进程退出，如果其所占用的资源没有释放回收，这个进程就变成了僵尸进程，处于僵死状态。

例如当子进程先于父进程退出时，为了保存自身的退出状态(退出码或异常信号)，task_struct 以及少数资源不会立即释放，一直等待父进程接收其退出状态。这时操作系统会通知父进程获取子进程的退出状态，当父进程获取到子进程的退出状态后，将释放子进程未释放完的资源。
但若父进程没有关注到子进程退出，一直没有获取子进程退出状态。这个子进程就成为了一个只有着一个空的task_struct(只保存着退出状态以及一些统计信息)而没有"真正灵魂"的进程，此时这个子进程就处于僵死状态。

内核也可以将这些信息保存在别的地方，而将task_struct释放掉，以节省一些空间。但是使用task_struct结构更为方便，因为内核中已经建立了从PID到task_struct查找关系，还有进程间的父子关系。释放掉task_struct，则需要建立一些新的数据结构，以便让父进程找到它的子进程的退出信息。父进程可以通过wait系列的系统调用（如wait4,waitid）来等待某个或某些子进程的退出，并获取它的退出信息。然后wait系列的系统调用会顺便将子进程的task_struct也释放掉。

前面说到，子进程在退出时操作系统会通知父进程获取退出码，即内核会给其父进程发送一个信号，通知父进程来"收尸"。这个信号默认是SIGCHLD，但是在通过clone系统调用(fork和vfork就是封装了clone)创建子进程时，可以设置这个信号。

8.僵尸进程

处于僵死状态的进程称之为僵尸进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> 
#include<unistd.h>
int main() {
    pid_t pid = fork();
    if(pid < 0){ 
        perror("fork"); 
        return 1; 
    }
    else if(pid == 0){
        printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
        sleep(5); 
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    }
    else{
        printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
        sleep(10); 
    }
    return 0; 
}

父进程处于S状态时，没有获取子进程退出状态，子进程就变成了僵尸进程。

僵尸进程的危害：

• 子进程先于父进程终止，而父进程又没有调用wait或waitpid，此时子进程进入僵死状态，并且会一直保持下去直到系统重启。内核只保存进程的一些必要信息在task_struct中以备父进程所需。
• 一个父进程创建了很多子进程，要是都不回收，就会造成内存资源的浪费， 因为task_struct数据结构对象本身就要占用内存，要在内存的某个位置进行开辟空间, 这样就会造成资源泄漏。
• Linux操作系统最大进程程数是有限制的，如果僵尸进程过多，会导致进程数过多创建不了新的进程。

如何避免僵尸进程：

• 让退出进程的父进程用wait()阻塞等待子进程退出并回收, 或用waitpid() 隔段时间来查询子进程是否结束并回收
• 采用信号SIGCHLD通知处理，并在信号处理程序中调用wait()函数
• 让僵尸进程变成孤儿进程，由init进程回收，就是让父进程先退出

孤儿进程

如果父进程先于子进程退出，那么子进程该怎么办呢？
当一个父进程进程退出的时候，会将它所有的子进程都托管给别的进程，使其成为别的进程的子进程。托管给谁？可能是退出进程所在进程组的下一个进程或者是1号进程（init进程）。所以每个进程每时每刻都有父进程存在，除非它是1号进程。

1号进程: pid为1的进程，又称init进程。linux系统启动后, 第一个被创建的用户态进程就是init进程。

它有两项使命：

• 1、执行系统初始化脚本，创建一系列的进程（它们都是init进程的子孙)

• 2、在一个死循环中等待其子进程的退出事件，并调用waitpid()由系统来完成资源回收操作

init进程不会被暂停，也不会被杀死（内核来保证的）。 它在等待子进程退出的过程中处于S状态，资源回收过程中则处于R状态。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main(){
    pid_t pid = fork();
    if(pid < 0){
        perror("fork error");
        exit(-1);
    }
    else if(pid == 0){
        printf("子进程睡一会\n");
        sleep(5);
        printf("子进程退出\n");
    }
    else{
        printf("父进程先走一步\n");
        exit(0);
    }
    return 0;
}

父进程先退出，在子进程睡眠的这段时间秒内，子进程被1号进程收养，子进程退出后由1号进程回收。