Linux 進(jìn)程狀態(tài)淺析

眾所周知，現(xiàn)在的分時(shí)操作系統(tǒng)能夠在一個(gè)CPU上運(yùn)行多個(gè)程序，讓這些程序表面上看起來是在同時(shí)運(yùn)行的。linux就是這樣的一個(gè)操作系統(tǒng)。

在linux系統(tǒng)中，每個(gè)被運(yùn)行的程序?qū)嵗龑?duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程。linux內(nèi)核需要對(duì)這些進(jìn)程進(jìn)行管理，以使它們?cè)谙到y(tǒng)中“同時(shí)”運(yùn)行。linux內(nèi)核對(duì)進(jìn)程的這種管理分兩個(gè)方面：進(jìn)程狀態(tài)管理，和進(jìn)程調(diào)度。本文主要介紹進(jìn)程狀態(tài)管理，進(jìn)程調(diào)度見《linux進(jìn)程調(diào)度淺析》。

進(jìn)程狀態(tài)

在linux下，通過ps命令我們能夠查看到系統(tǒng)中存在的進(jìn)程，以及它們的狀態(tài)：

R(TASK_RUNNING)，可執(zhí)行狀態(tài)。

只有在該狀態(tài)的進(jìn)程才可能在CPU上運(yùn)行。而同一時(shí)刻可能有多個(gè)進(jìn)程處于可執(zhí)行狀態(tài)，這些進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)（進(jìn)程控制塊）被放入對(duì)應(yīng)CPU的可執(zhí)行隊(duì)列中（一個(gè)進(jìn)程最多只能出現(xiàn)在一個(gè)CPU的可執(zhí)行隊(duì)列中）。進(jìn)程調(diào)度器的任務(wù)就是從各個(gè)CPU的可執(zhí)行隊(duì)列中分別選擇一個(gè)進(jìn)程在該CPU上運(yùn)行。

只要可執(zhí)行隊(duì)列不為空，其對(duì)應(yīng)的CPU就不能偷懶，就要執(zhí)行其中某個(gè)進(jìn)程。一般稱此時(shí)的CPU“忙碌”。對(duì)應(yīng)的，CPU“空閑”就是指其對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行隊(duì)列為空，以致于CPU無事可做。

有人問，為什么死循環(huán)程序會(huì)導(dǎo)致CPU占用高呢？因?yàn)樗姥h(huán)程序基本上總是處于TASK_RUNNING狀態(tài)（進(jìn)程處于可執(zhí)行隊(duì)列中）。除非一些非常極端情況（比如系統(tǒng)內(nèi)存嚴(yán)重緊缺，導(dǎo)致進(jìn)程的某些需要使用的頁面被換出，并且在頁面需要換入時(shí)又無法分配到內(nèi)存……），否則這個(gè)進(jìn)程不會(huì)睡眠。所以CPU的可執(zhí)行隊(duì)列總是不為空（至少有這么個(gè)進(jìn)程存在），CPU也就不會(huì)“空閑”。

很多操作系統(tǒng)教科書將正在CPU上執(zhí)行的進(jìn)程定義為RUNNING狀態(tài)、而將可執(zhí)行但是尚未被調(diào)度執(zhí)行的進(jìn)程定義為READY狀態(tài)，這兩種狀態(tài)在linux下統(tǒng)一為TASK_RUNNING狀態(tài)。

S(TASK_INTERRUPTIBLE)，可中斷的睡眠狀態(tài)。

處于這個(gè)狀態(tài)的進(jìn)程因?yàn)榈却衬呈录陌l(fā)生（比如等待socket連接、等待信號(hào)量），而被掛起。這些進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)被放入對(duì)應(yīng)事件的等待隊(duì)列中。當(dāng)這些事件發(fā)生時(shí)（由外部中斷觸發(fā)、或由其他進(jìn)程觸發(fā)），對(duì)應(yīng)的等待隊(duì)列中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程將被喚醒。

通過ps命令我們會(huì)看到，一般情況下，進(jìn)程列表中的絕大多數(shù)進(jìn)程都處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)（除非機(jī)器的負(fù)載很高）。畢竟CPU就這么一兩個(gè)，進(jìn)程動(dòng)輒幾十上百個(gè)，如果不是絕大多數(shù)進(jìn)程都在睡眠，CPU又怎么響應(yīng)得過來。

D(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中斷的睡眠狀態(tài)。

與TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)類似，進(jìn)程處于睡眠狀態(tài)，但是此刻進(jìn)程是不可中斷的。不可中斷，指的并不是CPU不響應(yīng)外部硬件的中斷，而是指進(jìn)程不響應(yīng)異步信號(hào)。

絕大多數(shù)情況下，進(jìn)程處在睡眠狀態(tài)時(shí)，總是應(yīng)該能夠響應(yīng)異步信號(hào)的。否則你將驚奇的發(fā)現(xiàn)，kill-9竟然殺不死一個(gè)正在睡眠的進(jìn)程了（TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)）！于是我們也很好理解，為什么ps命令看到的進(jìn)程幾乎不會(huì)出現(xiàn)TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)，而總是TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)。

而TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)存在的意義就在于，內(nèi)核的某些處理流程是不能被打斷的。如果響應(yīng)異步信號(hào)，程序的執(zhí)行流程中就會(huì)被插入一段用于處理異步信號(hào)的流程（這個(gè)插入的流程可能只存在于內(nèi)核態(tài)，也可能延伸到用戶態(tài)），于是原有的流程就被中斷了（參見《linux異步信號(hào)handle淺析》）。

在進(jìn)程對(duì)某些硬件進(jìn)行操作時(shí)（比如進(jìn)程調(diào)用read系統(tǒng)調(diào)用對(duì)某個(gè)設(shè)備文件進(jìn)行讀操作，而read系統(tǒng)調(diào)用最終執(zhí)行到對(duì)應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的代碼，并與對(duì)應(yīng)的物理設(shè)備進(jìn)行交互），可能需要使用TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)對(duì)進(jìn)程進(jìn)行保護(hù)，以避免進(jìn)程與設(shè)備交互的過程被打斷，造成設(shè)備陷入不可控的狀態(tài)。（比如read系統(tǒng)調(diào)用觸發(fā)了一次磁盤到用戶空間的內(nèi)存的DMA，如果DMA進(jìn)行過程中，進(jìn)程由于響應(yīng)信號(hào)而退出了，那么DMA正在訪問的內(nèi)存可能就要被釋放了。）這種情況下的TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)總是非常短暫的，通過ps命令基本上不可能捕捉到。

linux系統(tǒng)中也存在容易捕捉的TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)。執(zhí)行vfork系統(tǒng)調(diào)用后，父進(jìn)程將進(jìn)入TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)，直到子進(jìn)程調(diào)用exit或exec（參見《神奇的vfork》）。

通過下面的代碼就能得到處于TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)的進(jìn)程：

編譯運(yùn)行，然后ps一下：

然后我們可以試驗(yàn)一下TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)的威力。不管kill還是kill-9，這個(gè)TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)的父進(jìn)程依然屹立不倒。

T(TASK_STOPPEDorTASK_TRACED)，暫停狀態(tài)或跟蹤狀態(tài):

向進(jìn)程發(fā)送一個(gè)SIGSTOP信號(hào)，它就會(huì)因響應(yīng)該信號(hào)而進(jìn)入TASK_STOPPED狀態(tài)（除非該進(jìn)程本身處于TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)而不響應(yīng)信號(hào)）。（SIGSTOP與SIGKILL信號(hào)一樣，是非常強(qiáng)制的。不允許用戶進(jìn)程通過signal系列的系統(tǒng)調(diào)用重新設(shè)置對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)。）

向進(jìn)程發(fā)送一個(gè)SIGCONT信號(hào)，可以讓其從TASK_STOPPED狀態(tài)恢復(fù)到TASK_RUNNING狀態(tài)。

當(dāng)進(jìn)程正在被跟蹤時(shí)，它處于TASK_TRACED這個(gè)特殊的狀態(tài)?！罢诒桓櫋敝傅氖沁M(jìn)程暫停下來，等待跟蹤它的進(jìn)程對(duì)它進(jìn)行操作。比如在gdb中對(duì)被跟蹤的進(jìn)程下一個(gè)斷點(diǎn)，進(jìn)程在斷點(diǎn)處停下來的時(shí)候就處于TASK_TRACED狀態(tài)。而在其他時(shí)候，被跟蹤的進(jìn)程還是處于前面提到的那些狀態(tài)。

對(duì)于進(jìn)程本身來說，TASK_STOPPED和TASK_TRACED狀態(tài)很類似，都是表示進(jìn)程暫停下來。

而TASK_TRACED狀態(tài)相當(dāng)于在TASK_STOPPED之上多了一層保護(hù)，處于TASK_TRACED狀態(tài)的進(jìn)程不能響應(yīng)SIGCONT信號(hào)而被喚醒。只能等到調(diào)試進(jìn)程通過ptrace系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行PTRACE_CONT、PTRACE_DETACH等操作（通過ptrace系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)指定操作），或調(diào)試進(jìn)程退出，被調(diào)試的進(jìn)程才能恢復(fù)TASK_RUNNING狀態(tài)。

Z(TASK_DEAD–EXIT_ZOMBIE)，退出狀態(tài)，進(jìn)程成為僵尸進(jìn)程。

進(jìn)程在退出的過程中，處于TASK_DEAD狀態(tài)。

在這個(gè)退出過程中，進(jìn)程占有的所有資源將被回收，除了task_struct結(jié)構(gòu)（以及少數(shù)資源）以外。于是進(jìn)程就只剩下task_struct這么個(gè)空殼，故稱為僵尸。

之所以保留task_struct，是因?yàn)閠ask_struct里面保存了進(jìn)程的退出碼、以及一些統(tǒng)計(jì)信息。而其父進(jìn)程很可能會(huì)關(guān)心這些信息。比如在shell中，$?變量就保存了最后一個(gè)退出的前臺(tái)進(jìn)程的退出碼，而這個(gè)退出碼往往被作為if語句的判斷條件。

當(dāng)然，內(nèi)核也可以將這些信息保存在別的地方，而將task_struct結(jié)構(gòu)釋放掉，以節(jié)省一些空間。但是使用task_struct結(jié)構(gòu)更為方便，因?yàn)樵趦?nèi)核中已經(jīng)建立了從pid到task_struct查找關(guān)系，還有進(jìn)程間的父子關(guān)系。釋放掉task_struct，則需要建立一些新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便讓父進(jìn)程找到它的子進(jìn)程的退出信息。

父進(jìn)程可以通過wait系列的系統(tǒng)調(diào)用（如wait4、waitid）來等待某個(gè)或某些子進(jìn)程的退出，并獲取它的退出信息。然后wait系列的系統(tǒng)調(diào)用會(huì)順便將子進(jìn)程的尸體（task_struct）也釋放掉。

子進(jìn)程在退出的過程中，內(nèi)核會(huì)給其父進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)，通知父進(jìn)程來“收尸”。這個(gè)信號(hào)默認(rèn)是SIGCHLD，但是在通過clone系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，可以設(shè)置這個(gè)信號(hào)。

通過下面的代碼能夠制造一個(gè)EXIT_ZOMBIE狀態(tài)的進(jìn)程：

編譯運(yùn)行，然后ps一下：

只要父進(jìn)程不退出，這個(gè)僵尸狀態(tài)的子進(jìn)程就一直存在。那么如果父進(jìn)程退出了呢，誰又來給子進(jìn)程“收尸”？

當(dāng)進(jìn)程退出的時(shí)候，會(huì)將它的所有子進(jìn)程都托管給別的進(jìn)程（使之成為別的進(jìn)程的子進(jìn)程）。托管給誰呢？可能是退出進(jìn)程所在進(jìn)程組的下一個(gè)進(jìn)程（如果存在的話），或者是1號(hào)進(jìn)程。所以每個(gè)進(jìn)程、每時(shí)每刻都有父進(jìn)程存在。除非它是1號(hào)進(jìn)程。

1號(hào)進(jìn)程，pid為1的進(jìn)程，又稱init進(jìn)程。

linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，第一個(gè)被創(chuàng)建的用戶態(tài)進(jìn)程就是init進(jìn)程。它有兩項(xiàng)使命：

1、執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本，創(chuàng)建一系列的進(jìn)程（它們都是init進(jìn)程的子孫）；
2、在一個(gè)死循環(huán)中等待其子進(jìn)程的退出事件，并調(diào)用waitid系統(tǒng)調(diào)用來完成“收尸”工作；

init進(jìn)程不會(huì)被暫停、也不會(huì)被殺死（這是由內(nèi)核來保證的）。它在等待子進(jìn)程退出的過程中處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)，“收尸”過程中則處于TASK_RUNNING狀態(tài)。

X(TASK_DEAD–EXIT_DEAD)，退出狀態(tài)，進(jìn)程即將被銷毀。

而進(jìn)程在退出過程中也可能不會(huì)保留它的task_struct。比如這個(gè)進(jìn)程是多線程程序中被detach過的進(jìn)程（進(jìn)程？線程？參見《linux線程淺析》）?；蛘吒高M(jìn)程通過設(shè)置SIGCHLD信號(hào)的handler為SIG_IGN，顯式的忽略了SIGCHLD信號(hào)。（這是posix的規(guī)定，盡管子進(jìn)程的退出信號(hào)可以被設(shè)置為SIGCHLD以外的其他信號(hào)。）

此時(shí)，進(jìn)程將被置于EXIT_DEAD退出狀態(tài)，這意味著接下來的代碼立即就會(huì)將該進(jìn)程徹底釋放。所以EXIT_DEAD狀態(tài)是非常短暫的，幾乎不可能通過ps命令捕捉到。

進(jìn)程的初始狀態(tài)

進(jìn)程是通過fork系列的系統(tǒng)調(diào)用（fork、clone、vfork）來創(chuàng)建的，內(nèi)核（或內(nèi)核模塊）也可以通過kernel_thread函數(shù)創(chuàng)建內(nèi)核進(jìn)程。這些創(chuàng)建子進(jìn)程的函數(shù)本質(zhì)上都完成了相同的功能——將調(diào)用進(jìn)程復(fù)制一份，得到子進(jìn)程。（可以通過選項(xiàng)參數(shù)來決定各種資源是共享、還是私有。）

那么既然調(diào)用進(jìn)程處于TASK_RUNNING狀態(tài)（否則，它若不是正在運(yùn)行，又怎么進(jìn)行調(diào)用？），則子進(jìn)程默認(rèn)也處于TASK_RUNNING狀態(tài)。

另外，在系統(tǒng)調(diào)用clone和內(nèi)核函數(shù)kernel_thread也接受CLONE_STOPPED選項(xiàng)，從而將子進(jìn)程的初始狀態(tài)置為TASK_STOPPED。

進(jìn)程狀態(tài)變遷

進(jìn)程自創(chuàng)建以后，狀態(tài)可能發(fā)生一系列的變化，直到進(jìn)程退出。而盡管進(jìn)程狀態(tài)有好幾種，但是進(jìn)程狀態(tài)的變遷卻只有兩個(gè)方向——從TASK_RUNNING狀態(tài)變?yōu)榉荰ASK_RUNNING狀態(tài)、或者從非TASK_RUNNING狀態(tài)變?yōu)門ASK_RUNNING狀態(tài)。也就是說，如果給一個(gè)TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)的進(jìn)程發(fā)送SIGKILL信號(hào)，這個(gè)進(jìn)程將先被喚醒（進(jìn)入TASK_RUNNING狀態(tài)），然后再響應(yīng)SIGKILL信號(hào)而退出（變?yōu)門ASK_DEAD狀態(tài)）。并不會(huì)從TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)直接退出。

進(jìn)程從非TASK_RUNNING狀態(tài)變?yōu)門ASK_RUNNING狀態(tài)，是由別的進(jìn)程（也可能是中斷處理程序）執(zhí)行喚醒操作來實(shí)現(xiàn)的。執(zhí)行喚醒的進(jìn)程設(shè)置被喚醒進(jìn)程的狀態(tài)為TASK_RUNNING，然后將其task_struct結(jié)構(gòu)加入到某個(gè)CPU的可執(zhí)行隊(duì)列中。于是被喚醒的進(jìn)程將有機(jī)會(huì)被調(diào)度執(zhí)行。

而進(jìn)程從TASK_RUNNING狀態(tài)變?yōu)榉荰ASK_RUNNING狀態(tài)，則有兩種途徑：

1、響應(yīng)信號(hào)而進(jìn)入TASK_STOPED狀態(tài)、或TASK_DEAD狀態(tài)；
2、執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用主動(dòng)進(jìn)入TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)（如nanosleep系統(tǒng)調(diào)用）、或TASK_DEAD狀態(tài)（如exit系統(tǒng)調(diào)用）；或由于執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用需要的資源得不到滿足，而進(jìn)入TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)或TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)（如select系統(tǒng)調(diào)用）。

顯然，這兩種情況都只能發(fā)生在進(jìn)程正在CPU上執(zhí)行的情況下。