【从浅学到熟知Linux】进程状态与进程优先级（含进程R/S/T/t/D/X/Z状态介绍、僵尸进程、孤儿进程、使用top及renice调整进程优先级）

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文章目录

进程状态
- 进程状态查看
- R运行状态（running）
- S睡眠状态（sleeping）
- D磁盘休眠状态（Disk sleep）
- T停止状态（stopped）
- t调试/追踪状态（tracing stop）
- X死亡状态/终止状态（dead）
- Z僵尸状态/僵尸进程（zombie）
孤儿进程
进程优先级
- 基本概念
- 查看系统进程
- PRI及NI
- 修改进程优先级
- - top命令
  - renice命令
- 关于进程的相关概念

进程状态

关于进程状态，我们来看看Linux源代码中总共有几种状态↓↓↓

static const char* cinst task_state_array[] = {
"R(runnning)",/* 0 */
"S(sleeping)",/* 1 */
"D(disk sleep)", /* 2 */
"T(stopped)",/* 3 */
"t(tracing stop)",/* 4 */
"X(dead)", /* 16 */
"Z(zombie)" /* 32 */
};

在介绍这些状态时，将使用使用描述+代码验证的方式（但部分状态无法使用代码验证）。在开始介绍前，我们需要了解如何查看进程状态↓↓↓

进程状态查看

ps aux / ps axj

查看进程状态总共有两种方式，分别是ps aux及ps axj。使用它们查看进程的效果如下图所示↓↓↓
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★ps：关于ps命令的更多用法，可以查询man手册。

R运行状态（running）

我们在创建了进程之后，操作系统会给该进程创建一个task_struct结构体，该结构体中包含进程状态、pid、ppid、优先级等字段，该结构体就是PCB（进程控制块），用于记录进程各类信息。

管理好这些进程，我们需要只要管理好task_struct结构体即可。因此，操作系统将task_struct链成一个链表（队列）。
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由于计算机中的各类资源（包括CPU、内存、外部设备等）均十分宝贵，各个进程在获取某个资源时，可能需要到某个资源上排队。而等待CPU资源的进程将被链成一个队列，这个队列叫做运行队列（run_queue）。而处于运行队列上的进程的状态就是运行状态，即R状态。

下面，我们编写一个死循环，并查看该进程的状态↓↓↓

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

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上面的STAT的R就是运行状态。

S睡眠状态（sleeping）

如果我们编写一个循环打印"hello world"的程序，则执行该程序的进程的状态是R状态吗？

#include <stdio.h>
int main()
{
	while(1)
	{
		printf("hello world\n");
	}
	retrun 0;
}

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这里我执行ps axj | head -1 && ps axj | grep test命令，得到的进程状态是S状态，即睡眠状态。这是为什么呢？那什么是睡眠状态呢？

我们在执行上面的程序时，进程需要访问外设，而外设相比与cpu而言，速度非常慢。该进程为了打印"hello world"，它需要到对应的外设上等待（这里的外设是显示器），在它需要使用外设资源时，cpu将该进程的PCB从运行队列中取下来，并链入显示器的等待队列中。在除了cpu以外的队列中等待时，这时的状态就是S休眠状态。等该进程打印完毕后，再链入cpu，继续向下执行。但由于上面的程序频繁访问外设，导致它在运行队列中的时间非常短。因而，我们在查看该进程状态时，绝大多数情况下，它都处于睡眠状态。

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D磁盘休眠状态（Disk sleep）

在操作系统中，如果一个进程处于睡眠状态，即S状态。如果此时操作系统负载过大，则可能杀死该进程。这也就是为什么某些软件服务在用户量过大时，出现某些用户无法获取服务的原因。

从操作系统角度来说，操作系统为了维护服务器能稳定运行，不得不杀死某些进程；从进程角度来说，进程正常运行而被操作系统强制关闭，进程也无能为力。

如果我们希望某些关键性进程，即使在操作系统负载过大时也不会被杀死，则可以将该进程设置为D状态，即磁盘休眠状态（也称为磁盘睡眠状态、深度睡眠状态）。处于该状态的进程不能被操作系统中断，也不能被操作系统唤醒。该进程只有自己醒来，才能被操作系统调度执行；只有该进程执行完毕，才能被操作系统回收。

★ps：该状态无法使用程序演示

T停止状态（stopped）

在操作系统中，可以给某些进程发送信号，发送信号的格式为：

kill -[信号编号] [进程pid]

下面，我们使用kill -l查看所有信号及其对应的编号↓↓↓
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上图的18号信号SIGCONT为进程继续执行信号，19号信号为SIGSTOP为进程暂停信号。如果我们给某个进程发送19号信号，则它将处于T状态，即暂停状态。

下面，我们给上面循环打印"hello world"的进程发送19号信号，再对比发送信号前后的状态变化

kill -19 19093

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在接收到19号SIGSTOP信号后，19093号进程停止打印"hello world"，并且此时它的状态为T状态，即暂停状态。

如果我们给19093号进程发送18号SIGCONT信号，会是什么效果呢？
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发送信号后，19093号进程继续打印"hello world"，并且它的状态又变回S状态，即睡眠状态。但这里不同的是，原先的状态是S+，而此时的状态是S。这两者有什么区别呢？

S+状态下的进程，在使用ctrl+C时，可以被终止；而S状态下的进程使用ctrl+C却无法被终止。这里带有+号的称为前台进程，不带+号的称为后台进程。后台进程需要使用kill -9 [进程号]发送9号信号来终止。
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★ps：T状态与S状态的区别：T状态单纯暂停，并不等待某种资源；而S状态是为了等待某种资源。

t调试/追踪状态（tracing stop）

我们在编写完程序后，可以在使用gcc编译，如果在编译命令的末尾加上-g选项，则会生成一个debug版本的程序。如果不带-g选项，gcc默认生成的是release版本。

我们使用gcc生成下面程序的release和debug版本↓↓↓

#include <stdio.h>

int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	int num1 = 10;
	int num2 = 20;
	printf("%d + %d = %d\n", num1. num2, Add(num1, num2));
	return 0;
}

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从上图可以发现，debug版本所占的内存空间会大于release版本（因为debug版本中包含调试信息）。

下面我们使用gdb对test_g进行调试↓↓↓
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由于在12行处打了断点，此时程序停止在12行处。我们使用ps axj | head -1 && ps axj | grep test查看当前进程状态↓↓↓

此时的进程状态为t状态，即调试状态（也称为追踪状态）。

X死亡状态/终止状态（dead）

如果进程执行结束了，操作系统会马上回收该进程的资源吗（进程此时占用内存等资源）？不一定。如果此时cpu上此时正在处理更加重要、紧急的进程，则操作系统此时不会马上回收已经执行结束的进程，而是将该进程标识为X状态，即死亡状态（也成为终止状态）。

标记为X状态的进程，表示该进程可以被操作系统回收。但具体什么时候回收，取决于操作系统。由于X状态瞬时性较强，难以使用程序演示，这里就不使用程序演示了。

Z僵尸状态/僵尸进程（zombie）

僵尸状态（zombie，也称为僵死状态）是一种比较特殊的状态。该状态发生在子进程退出，而父进程没有回收子进程资源时（即父进程没有使用waitpid读取子进程的退出信息），此时子进程就会进入僵尸状态。

僵尸进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直等待父进程读取退出状态码。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，则子进程会进入Z状态。

下面创建的程序，使得子进程保持5秒的僵尸状态↓↓↓

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	assert(id != -1);

	if(id == 0)
	{
		printf("I am child process! pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
		sleep(5);
		exit(0);
	}
	printf("I am parent process! pid = %d\n", getpid());
	sleep(10);
	return 0;
}

执行上述程序并使用while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep test; sleep 1; echo "#############" done; 脚本，每1秒钟对执行内容做监视。
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我们可以发现，在子进程退出后，父进程没有退出，此时的子进程的状态变为Z状态，即僵尸状态。

僵尸进程的危害：
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。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，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护。

那一个父进程创建了很多子进程，如果不回收，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，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！

★ps：关于僵尸进程如何被处理的问题，将在后序文章中的介绍。

孤儿进程

上面已经将进程的各种状态讲述完毕，接下来，我们再了解另一种进程——孤儿进程。

父进程如果提前退出，子进程后退出，子进程进入Z之后，那该如何处理呢？

如果让子进程一直保持Z状态，则会造成内存泄漏；但此时子进程的父进程已经执行结束，没有进程可以来清理子进程的资源了，这种子进程被称为孤儿进程。操作系统为了解决这个问题，对于父进程已经执行结束，而子进程后退出的，该子进程将被1号init进程领养，其资源将由init进程进行回收。

下面代码中，父进程比子进程执行结束前5秒就退出↓↓↓

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	assert(id != -1);
	if(id == 0)
	{
		int cnt = 10;
		while(cnt > 0)
		{
			printf("I am child process, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
			cnt--;
		}
		exit(0);
	}
	printf("I am parent process, pid = %d\n", getpid());
	sleep(5);
	return 0;
}

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由程序执行结果可以看出，子进程前5秒的父进程pid为15480，由于父进程在子进程推出前5秒就推出了，此时子进程被1号init进程领养，故此时该进程的父进程pid为1。

进程优先级

基本概念

优先权高的进程有优先执行权利，可以优先获得cpu资源。

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。对于多核计算机，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。

查看系统进程

我们可以执行ps -le来查看系统中所有进程的详细信息（-e选项表示所有进程，-l选项表示显示进程详细信息）
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上图中：
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 ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
NI ：代表这个进程的nice值

PRI及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。

那如果PRI(new)=PRI(old)+nice，那么我的程序起始优先级PRI为80，我对它重复设置10000次nice值为-20，它的优先级PRI是不是变成80-20*10000呢？答案是否定的。在Linux操作系统中，PRI起始都为80，nice值得范围为-19到20。当我们设置了新的nice值时，该进程的PRI=80+nice值。也就是说PRI的范围在[80-20,80+19]之间。

★ps：进程的nice值不是进程的优先级，进程优先级与nice值不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据。

修改进程优先级

top命令

首先，我们运行一个名为test的死循环程序。此时它的PRI为80，NI为0。
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top命令修改进程优先级的方法（如果要设置小于0的nice值，即提高进程优先级，此时需要使用sudo提权）：

①执行top命令
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②输入r，并输入待修改进程优先级的进程pid。

③输入nice值，这里输入10。

我们使用ps -el | head -1 && ps -el | grep test查看进程优先级发现，test的PRI变为90，NI变为10。

★ps：上图中，我们将nice值设置为10，则该进程的PRI=80+10=90。如果我们在此基础上设置nice值为15，则该进程的优先级为PRI=80+15=95。

renice命令

renice命令使用格式为：

renice [nice值] -p [进程pid]

下图演示将20269号进程的nice值修改为15。
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我们使用ps -el | head -1 && ps -el | grep test查看进程优先级发现，test的PRI变为95，NI变为15。

★ps：如果要给进程设置比原nice值更小的nice值，需要使用sudo提权。

关于进程的相关概念

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。

关于并行和并发这里做一下更详细的解释：
并行就是多个进程同时执行。而并发并不是，例如我们有3个进程在一个CPU上并发执行，第1个进程先执行1ms，接下来由第2个进程执行1ms，再由第3个进程执行1ms，然后又由第1个进程执行，以此类推…像这种明明各个进程是交替执行的，但由于各个进程都在向前运行，而进程交替运行的操作用户感知不到，用户以为这3个进程是各占用1个CPU并同时执行的，这种被称为并发。