Linux进程的状态解析

一、状态解析

1.1、状态

  • R(TASK_RUNNING):可执行状态
  • S(TASK_INTERRUPTIBLE):可中断的睡眠状态
  • D(TASK_UNINTERRUPTIBLE):不可中断的睡眠状态
  • T(TASK_STOPPED/TASK_TRACED):停止状态或者跟踪状态
  • Z(TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE):退出状态(进程成为僵尸状态)
  • X(TASK_DEAD - EXIT_DEAD):退出状态(进程即将被销毁,基本很少见)
  • W(TASK_SWAP):进入内存交换(从内核2.6开始无效)

其他状态(可通过ps等指令查看到)

  • <:较高优先级的进程
  • N:较低优先级的进程
  • L:数据页被锁进内存
  • s:包含子进程
  • l:多线程,克隆线程
  • +:位于后台的进程组

1.2、状态解析

1.2.1、R(TASK_RUNNING) - 可执行状态

只有在该状态的进程才可能在CPU上运行,同一时刻可能有多个进程处于可执行状态,这些进程的task_struct结构(进程控制块)被放入对应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上运行。很多操作系统教科书将正在CPU上执行的进程定义为RUNNING状态、而将可执行但是尚未被调度执行的进程定义为READY状态,这两种状态在linux下统一为TASK_RUNNING状态

1.2.2、S(TASK_INTERRUPTIBLE) - 可中断的睡眠状态

处于这个状态的进程因为等待某些事件的发生(比如等待socket连接、等待信号量)而被挂起。这些进程的task_struct结构被放入对应事件的等待队列中。当这些事件发生时(由外部中断或其他进程触发),对应的等待队列中的一个或多个进程将被唤醒。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TASK_INTERRUPTIBLE状态(除非机器的负载很高)。

1.2.3、D(TASK_UNINTERRUPTIBLE) - 不可中断的睡眠状态

TASK_INTERRUPTIBLE状态类似,进程处于睡眠状态,但是此刻进程是不可中断的。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。于是我们也很好理解,为什么ps命令看到的进程几乎不会出现TASK_UNINTERRUPTIBLE状态,而总是TASK_INTERRUPTIBLE状态TASK_UNINTERRUPTIBLE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(这个插入的流程可能只存在于内核态,也可能延伸到用户态),于是原有的流程就被中断了。

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TASK_UNINTERRUPTIBLE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TASK_UNINTERRUPTIBLE状态总是非常短暂的,通过ps命令基本上不可能捕捉到。

linux系统中也存在容易捕捉的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态,在执行vfork系统调用后,父进程将进入TASK_UNINTERRUPTIBLE状态,直到子进程调用exit或exec(参见《神奇的vfork》)

1.2.4、T(TASK_STOPPED or TASK_TRACED) - 暂停状态或跟踪状态

向进程发送一个SIGSTOP信号,它就会因响应该信号而进入TASK_STOPPED状态(除非该进程本身处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态而不响应信号,SIGSTOPSIGKILL都是非常强制的,不允许用户进程通过signal系列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TASK_STOPPED状态恢复到TASK_RUNNING状态。当进程正在被跟踪时,它处于TASK_TRACED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中对被跟踪的进程下一个断点,进程在断点处停下来的时候就处于TASK_TRACED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TASK_STOPPEDTASK_TRACED很类似,都是表示进程暂停下来。而TASK_TRACED状态相当于在TASK_STOPPED之上多了一层保护,处于TASK_TRACED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_CONTPTRACE_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TASK_RUNNING状态

1.2.5、Z(TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE) - 退出状态(进程成为僵尸状态)

进程在退出的过程中,处于TASK_DEAD状态。在这个退出过程中,进程占有的所有资源将被回收,除了task_struct结构(以及少数资源)以外。于是进程就只剩下task_struct这么个空壳,故称为僵尸。之所以保留task_struct是因为task_struct里面保存了进程的退出码、以及一些统计信息。而其父进程很可能会关心这些信息。比如在shell中的$?变量就保存了最后一个退出的前台进程的退出码,而这个退出码往往被作为if语句的判断条件。

当然,内核也可以将这些信息保存在别的地方,而将task_struct结构释放掉,以节省一些空间。但是使用task_struct结构更为方便,因为在内核中已经建立了从pidtask_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wait4waitid)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尸体task_struct也释放掉。子进程在退出的过程中,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系统调用创建子进程时,可以设置这个信号。

1.2.5、X(TASK_DEAD - EXIT_DEAD) - 退出状态(进程即将被销毁)

进程在退出过程中也可能不会保留它的task_struct。比如这个进程是多线程程序中被detach过的进程,或者父进程通过设置SIGCHLD信号handlerSIG_IGN,显式的忽略了SIGCHLD信号(这是posix的规定,尽管子进程的退出信号可以被设置为SIGCHLD以外的其他信号)。此时,进程将被置于EXIT_DEAD退出状态,这意味着接下来的代码立即就会将该进程彻底释放。所以EXIT_DEAD状态是非常短暂的,几乎不可能通过ps命令捕捉到。

二、进程的基本状态

2.1、三种基本状态

进程在运行中不断地改变其运行状态,通常一个运行进程必须具有以下三种基本状态。

  • 就绪状态(Ready):当进程已分配到除CPU以外的所有必要的资源,只要获得处理机便可立即执行,这时的进程状态称为就绪状态。
  • 执行状态(Running):当进程已获得处理机,其程序正在处理机上执行,此时的进程状态称为执行状态。
  • 阻塞状态(Blocked):正在执行的进程,由于等待某个事件发生而无法执行时,便放弃处理机而处于阻塞状态。引起进程阻塞的事件可有多种,例如,等待I/O完成、申请缓冲区不能满足、等待信件(信号)等。

2.2、三种基本状态的转换

一个进程在运行期间,不断地从一种状态转换到另一种状态,它可以多次处于就绪状态和执行状态,也可以多次处于阻塞状态。

  • 就绪 => 执行:处于就绪状态的进程,当进程调度程序为之分配了处理机后,该进程便由就绪状态转变成执行状态。
  • 执行 => 就绪:处于执行状态的进程在其执行过程中,因分配给它的一个时间片已用完而不得不让出处理机,于是进程从执行状态转变成就绪状态。
  • 执行 => 阻塞:正在执行的进程因等待某种事件发生而无法继续执行时,便从执行状态变成阻塞状态。
  • 阻塞 => 就绪:处于阻塞状态的进程,若其等待的事件已经发生,于是进程由阻塞状态转变为就绪状态。
Author: bugwz
Link: https://bugwz.com/2017/10/10/linux-process-state/
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