Linux 进程(三) 从进程状态到僵尸进程、孤儿进程

假设我们运行一个程序，CPU 正在调度执行对应的进程，当执行到 scanf() 时，需要从键盘读取用户输入。我们之前说过，操作系统管理软硬件的方式可以理解为先描述再组织，管理硬件也是如此：操作系统会通过相应的数据结构描述硬件的属性信息，再通过一定的数据结构将其组织起来，从而实现对硬件的管理。回到我们的例子，如果此时我们没有按下任何按键，键盘没有提供可读取的输入数据，那么进程就无法继续执行，操作系统便会将该进程的状态设置为阻塞，并将其放入相应的等待队列中。当我们按下键盘并按下回车后，操作系统就能感知到输入事件，得知进程等待的条件已经满足，随后唤醒该进程，将其状态改为就绪状态，并重新放入调度队列中，等待 CPU 再次调度执行。

挂起状态

运行挂起和阻塞挂起

我们先来理解阻塞挂起，假设当前内存的空间已经不足，那么操作系统会将等待队列中进程的代码数据交换到磁盘中的一个名为swap交换分区的地方来腾出空间，等到操作系统内存恢复时再换入到内存中，重新构建指针映射；运行挂起可以理解为是内存空间严重不足时，会将调度队列中末端进程的代码数据交换到磁盘中的swap交换分区，等到要被调度执行的时候再换入内存。

三. 理解内核链表

我们之前说过内核中对进程的组织形式是双链表，但是我们又聊到内核中又存在调度队列和等待队列，同一个进程是如何同时服务于多种数据结构的呢？

我们会发现：内核中的双链表和普通双链表最大的不同是prev和next被额外封装到一个单独的结构体里面。

但是还有一个问题，我们通过结构体 list_head 来实现链表的遍历，但是我们想要访问PCB里面的其他成员变量就很麻烦了

解决这个问题之前我们要了解几个知识点：结构体首成员的地址与结构体起始地址相同，其他成员按照声明顺序依次存储，但成员之间可能存在内存对齐产生的填充字节(这些知识点我们在C语言讲结构体的时候讲过，忘记的可以回到之前的博客查看)。

那么我们可以利用这个偏移量来得到结构体的地址：(struct task_struct)(next/list-&((struct task_struct*)0->links))，但是在实践中会使用宏 container_of 解决
#include <stddef.h>  // 提供 offsetof 宏

/*
 * ptr    ：结构体中某个成员的地址
 * type   ：成员所属的结构体类型
 * member ：成员在结构体中的名称
 *
 * 实现原理：
 * 1. 将成员地址转换为 char*，便于按字节计算。
 * 2. 使用 offsetof 获取成员相对于结构体起始地址的偏移量。
 * 3. 成员地址减去偏移量，得到结构体的起始地址。
 * 4. 将结果转换为对应的结构体指针。
 */

#define container_of(ptr, type, member) \
    ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))

那么通过对prev和next的封装，我们可以让一个PCB同时存在于多个数据结构中：

四. Linux的进程状态

- 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（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠（interruptible sleep））。

- 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。

- T停止状态（stopped）：可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）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。

4.1 代码示例：R / S状态

但是我们发现当我执行./myprocess的时候，发现./myprocess的状态是S不是R，为什么呢？

虽然程序一直在执行 printf() 输出内容，但输出操作也涉及 I/O。当程序连续向终端输出数据时，如果终端暂时来不及处理，进程就可能需要等待输出操作完成，从而进入 S（可中断睡眠）状态。因此，我们使用 ps 查看进程时，可能恰好捕捉到它处于 S 状态的瞬间。

但是只要我们把 printf 注释掉，就不存在进程阻塞的问题，./myprocess的状态也就变成 R了。

4.1.1 R+

我们会发现进程状态后面常常会有一个+，这表示该指令在前台进行也就是在命令行中进行；但是只要我们在命令后面加上&就可以让命令在后台进行，+也就消失了。

4.2 代码示例： t / T(暂停)状态

t(追踪状态)

这里我们在myprocess.cpp的第七行打上断点，然后运行 myprocess，程序在第七行停止了。此时进程被暂停了，处于 t (追踪)状态。

T(暂停状态)

t 与 T 都表示进程处于停止状态，但 t 更多出现在使用调试工具跟踪进程时，例如遇到断点或进行单步调试；而 T 通常表示进程被普通暂停机制停止。

ctrl+z

ctrl+ z 用于暂停当前前台运行的进程；我们前面也是使用ctrl+z，让进程处于T状态。

4.3 代码示例：D状态

D 和我们之前学的 S 状态很像，S 状态在linux下称为可中断休眠、浅睡眠状态，在操作系统下就是我们熟知的阻塞状态；D 在linux下称为不可中断休眠、深度睡眠状态。那么我们该去怎么理解呢

首先我们之前说过，当内存空间不足时OS会将进程设置为挂起状态来释放空间，但是如果遇到极端情况：已经将能挂起的进程都挂起了还是内存不足时OS就可能会杀掉进程；但是贸然的杀掉进程必然导致严重的后果，所以就诞生了D状态，D状态和S状态最大的不同就是它很难被杀，使用 ctrl+c 或者 kill 通常都不能直接杀死。

4.4 代码示例： X / Z状态

Z 状态又称为僵尸状态，我们该怎么去理解呢：

我们之前说过，绝大多数进程都是另一个进程的子进程，而我们创建子进程的目的就是完成某样任务，所以当一个进程结束后我们得知道这个任务完成的怎么样，换句话说就是当一个进程退出时它的代码数据可以被立即释放掉，但是它的PCB数据不能立即释放掉，得让父进程读取信息。那么这个进程结束后维持PCB信息的状态就称为 Z 状态。

也就是当一个进程结束后，会先经历Z状态再到X状态