Linux进程状态详解

时间:2022-09-08 20:33:39

Linux是一个多用户、多任务的系统,可以同时运行多个用户的多个程序,就必然会产生很多的进程,每个进程会有不同的状态。

Linux进程状态:R(TASK_RUNNING),可执行状态
只有在该状态的进程才有可能在CPU上运行。而同一时刻可能有多个进程在可执行状态,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。

Linux进程状态: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某事件的发生(比如等待socket连接,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(由外部中断触发或由其他进程触发),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,进程列表中绝大多数进程都处于TASK_INTERRUPTIBLE状态(除非机器的负载很高)。毕竟CPU就这么一两个,进程动辄几十上百个,一定是绝大多数进程都在睡眠。

Linux进程状态:D(TASK_UNINTERRUPTIBLE),不可中断的睡眠状态
与TASK_INTERRUPTIBLE状态相似,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,进程处于睡眠状态时,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。于是我们也很好理解为什么ps看到的状态都是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打断的。如果响应异步信号,程序的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。(参见《Linux内核异步中断浅析》)
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),可能需要使用TASK_UNINTERRUPTIBLE状态对进程进行保护,以避免进程与设备的交互被打断,造成设备陷入不可控状态。这种情况下,TASK_UNINTERRUPTIBLE状态总是十分短暂的,通过ps命令基本不能捕获到。
Linux系统中也存在容易捕捉的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态。执行vfork系统调用后,父进程将进入TASK_UNINTRRUPTIBLE状态,直到子进程执行exit或exec(参见《神奇的vfork》)。
通过下面的代码

#include <stdio.h>
void main() {
if(!vfork())
sleep(100);
}

然后我们可以试一下TASK_UNINTERRUPTIBLE的威力,不管是kill还是kill -9这个状态的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的父进程都屹立不倒。但是我试验的结果是vfork只能使得父进程不被kill杀死,但还是无法避免被kill -9杀死。

Linux进程状态: T(TASK_STOPPED or TASK_TRACED),暂停状态或者跟踪状态
向进程发送一个SIGSTOP信号,它就会因为响应该信号而进入TASK_STOPPED状态(除非该进程本身处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态而不响应信号)(SIGSTOP和SIGKILL信号一样,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,而在其它时候他还是处于其它状态。对于进程本身来说,TASK_STOPPED和TASK_TRACED状态很类似,都是表示进程暂停下来。而TASK_TRACED相当于在TASK_STOPPED上多加了一层保护,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_CONT、PTRACE_DETACH等操作,或调试进程退出,被调试进程才能恢复TASK_RUNNING状态。

Linux进程状态:Z(TASK_DEAD-TASK-ZOMBIE),退出状态,进程成为僵尸进程。
进程在退出的状态中,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这个空壳,故称为僵尸。
之所以保留task_stuct,是因为task_struct里面保存了进程的退出码,以及一些统计信息。而其父进程很有可能关心这些信息。比如在shell中$!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结构跟方便,以为在内核中已经建立了从pid到task_struct的查找关系,还有进程间的父子关系。释放掉task_struct,则需要建立新的数据结构,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系列系统调用(如wait4,waitid)来等待某个或某些子进程退出,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。

只要父进程不退出,这个僵尸状态的子进程就一直存在。那么如果父进程退出了呢?谁来给子进程收尸?
当进程退出的时候会将它的所有子进程托管给别的进程(使之成为别的进程的子进程)。托管给谁呢?可能是退出进程所在进程组的下一个进程(如果存在的话),或者是1号进程。所以每个进程每时每刻都有父进程存在,除非他是1号进程。

1号进程pid为1的进程,又称init进程。
linux系统启动后,第一个被创建的用户态进程就是init进程,它有两项使命。
1、执行系统初始化脚本,创建一系列进程。
2、在一个死循环中等待子进程的退出事件,并调用waitid系统调用来完成“收尸”工作。
init进程不会被暂停,也不会被杀死(这是由内核来保证的),它在等待子进程退出的过程中处于TASK_INTERRUPTIBLE状态,收尸过程中处于TASK_RUNNING状态。

Linux进程状态:X(TASK_DEAD-EXIT_DEAD),退出状态,进程即将被销毁。
而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的线程。或者父进程通过设置SIGCHLD信号的handler为SIG_IGN,显式的忽略了SIGCHLD信号。此时进程将置于EXIT_DEAD退出状态,这意味 接下来的代码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。
进程的初始状态
进程是通过fork系列的系统调用(fork/clone/vfork)来创建的,内核(或内核模块)也可以通过kernel_thread函数创建内核进程。这些创建子进程的函数本质上都完成了相同的功能—将进程复制一份,得到了子进程。(可以通过选项参数来决定各种资源是共享、还是私有)。
那么既然调用进程处于TASK_RUNNING状态,则子进程也处于TASK_RUNNING状态。
另外在系统调用clone和内核函数kernel_thread也接收CLONE_STOPPED选项,从而将子进程的初始状态设为TASK_STOPPED。
进程状态变迁
进程自创建以后,状态可能发生一系列的变化,直到进程退出。而尽管进程状态有好几种,但进程状态的变迁确只有两个方向。——从TASK_RUNNING到非TASK_RUNNING或者从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态。
也就是说,如果给一个TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程发送SIGKILL信号,这个进程就先被唤醒进入TASK_RUNNING状态,然后再响应SIGKILL变为TASK_DEAD,并不会从TASK_INTERRUPTIBLE状态直接退出。
进程从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态,是由别的进程(也可能是中断处理程序)唤醒的,然后将其task_struct结构加入到某个CPU的可执行队列中,于是被唤醒的进程将有机会被调度执行。
而今晨从TASK_RUNNING状态别为非TASK_RUNNING状态,则有两种途径:
1.响应信号而进入TASK_STOPPED状态,或TASK_DEAD状态。
2.执行系统调用主动进入TASK_INTERRUPTIBLE状态(如nanosleep系统调用)、或TASK_DEAD状态(如exit系统调用);或由于执行系统调用的资源得不到满足时,而进入TASK_INTERRUPTIBLE或者TASK_UNINTERRUPTIBLE状态。