【Linux】进程状态和进程优先级

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1. 进程状态

为了更深入地了解进程，我们需要知道进程的不同状态。

不同的操作系统，对于进程状态有着不同的说法，如：运行、阻塞、挂起、新建、就绪、等待、死亡等。进程的多种状态，本质上是为了满足不同的应用场景。这里我们了解几种普遍的状态：

• 运行状态
  每个CPU都只有一个运行队列，进程的执行需要入队，而让进程入队的本质是将该进程的task_struct结构体对象放入运行队列中。在CPU的运行队列中的进程，其状态称为运行状态。

• 阻塞状态
  进程在运行过程中会占用CPU和其他硬件（如外设）资源，CPU与其他硬件相比，二者处理进程请求的速度相差甚远，如果等待其他硬件处理完毕，CPU再执行下一个进程，那么系统的整体速度会大幅降低；
  所以：当CPU发现运行队列中进程需要占用其他硬件资源时，会将该进程移至被占用硬件的等待队列（wait_queue）中进行排队，这种进程的状态称为阻塞状态。

• 挂起状态
  我们知道进程 = 进程的数据结构 + 磁盘上的代码和数据，而进程执行时会将磁盘上对应的代码和数据加载到内存；硬件响应速度慢，当有大量进程访问硬件时会产生较多的阻塞进程，这些进程的代码和数据在短期内不会被使用，如果一直在内存会占用很多内存资源。此时操作系统会将其代码和数据移至磁盘，仅保留PCB，以节省空间，这种进程的状态称为挂起状态。
  

挂起状态也可以叫做阻塞挂起状态，所以阻塞状态不一定是挂起状态，挂起状态一定是阻塞状态。

总结：

1. 状态是进程的内部属性，具体地说，状态是PCB中的一个整数值。
2. 进程的状态，本质是进程在不同的队列中，等待某种资源
3. 进程的PCB在运行队列（run_queue）中，其状态就是运行状态（R），不是进程正在运行才是运行状态
4. 进程既占用CPU资源又占用其他硬件（如外设）资源

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2. Linux的进程状态

在Linux内核里，进程有时候也叫做任务（task）。

下面是状态在kernel源代码里的定义：

• R运行状态（running）:
  进程的状态为R，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是在运行队列里。

test.c

#include <stdio.h>
int main()                                                                                        
{
  while (1);
  return 0;
}

+表示前台进程，没有+表示后台进程。前台进程运行时，无法输入指令，Ctrl + C可以终止进程；后台进程运行时，可以输入指令但Ctrl + C不能终止进程，可以使用kill -9 PID杀死进程。

• 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））

mytest.c

#include <stdio.h>                                                                                
int main()
{
  int cnt = 0;
  while (1)
  {
    printf("%d\n",cnt++);
  }
  return 0;
}

S状态是浅度睡眠状态，是阻塞状态的一种，是可以被终止的进程状态。虽然数字一直在打印，但大部分时间在等显示器IO就绪，只有小部分时间在执行打印代码。所以查询该进程的状态大概率是S状态，上图碰巧查询到了R状态。

• D磁盘休眠状态（Disk sleep）：
  有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束。
  D状态一般在高IO的情况下才会发生，此状态下的进程处于深度睡眠，无法被杀死，只有通过断电或等待进程自己”醒来“的方式才能中断D状态。
• T停止状态（stopped）：
  T状态是阻塞状态的一种。可以通过发送 SIGSTOP 信号kill -19 PID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kill -18 PID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，无法在任务列表里看到这个状态。

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3. 僵尸进程

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

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <unistd.h>  
 
int main()  
{  
 pid_t id = fork();  
 if (id == 0)  
 {  
   while (1)  
   {  
     printf("子进程：PID: %d PPID: %d\n", getpid(), getppid());  
     sleep(1);  
     exit(1);                                                                                    
   }  
 }  
 else if (id > 0)  
 {  
   while (1)  
   {  
     printf("父进程：PID: %d PPID: %d\n", getpid(), getppid());  
     sleep(1);  
   }  
 }  
 else {  
   perror("fork失败");  
   exit(-1);  
 }  
 return 0;  
}

下面这行脚本可以实时监控进程：

while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep mytest | grep -v grep; sleep 1;done

• 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。如果父进程一直不读取，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，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护
  • 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，类比C中定义一个结构体变量，是要在内存的某个位置开辟空间
  • 僵尸进程会导致内存泄漏

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4. 孤儿进程

父进程先退出，子进程就称为孤儿进程

那么父进程提前退出，子进程后退出，进入Z状态之后，该如何处理呢？

此时孤儿进程会被1号init进程领养，子进程的资源由init进程回收

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <unistd.h>  
 
int main()  
{  
 pid_t id = fork();  
 if (id == 0)  
 {  
   while (1)  
   {  
     printf("子进程：PID: %d PPID: %d\n", getpid(), getppid());  
     sleep(1);                                                                                      
   }  
 }  
 else if (id > 0)  
 {  
   while (1)  
   {  
     printf("父进程：PID: %d PPID: %d\n", getpid(), getppid());  
     sleep(1); 
     exit(1); 
   }  
 }  
 else {  
   perror("fork失败");  
   exit(-1);  
 }  
 return 0;  
}

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5. 进程优先级

• 基本概念

  1. cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）
  2. 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。 还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能

• 查看进程优先级
  在linux或者unix系统中，用ps -al命令则会类似输出以下几个内容
  

几个重要信息：
UID : 代表执行者的身份
PID : 代表这个进程的代号
PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
PRI（默认80） ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
NI （默认0）：代表这个进程的nice值

• PRI和NI

PRI是进程的优先级，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

NI就是nice值，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，加入nice值后，会使得PRI变为：新的PRI = 默认PRI + 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。 在Linux下，调整进程优先级，就是调整进程nice值。 nice的取值范围是-20至19，一共40个级别

• 修改nice值

执行sudo top进入top后按“r” -> 输入进程PID -> 输入nice值

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