目录

0.引言

1.情景引入

2.操作系统学科对进程状态的分类

运行状态

基于时间片的轮转调度算法

阻塞状态

等待IO设备的例子

等待其他进程中需要获取的数据

进程唤醒

挂起状态(全称为阻塞挂起状态)

简单谈谈虚拟内存管理

就绪状态

笔试题

3.Linux对进程状态的分类

R和S状态 

前台运行

结论

D状态

实验:模拟高IO访问的情况

结论

T和t状态

T状态

kill -l命令

t状态

结论

X状态

进程状态记录在task_struct中

4.交换分区的简单了解

两个命令查看交换分区

5.补充: CPU时间、墙钟时间、用户时间

6.补充: 等待队列在linux内核中的定义

8.补充: 进程休眠与唤醒图

0.引言

Linux内核是一个无比复杂的系统，要想看清大致的脉络也非易事。其实，可以把运行中的Linux想像成一个人类的社会，当中的进程就是社会中的人。人有生老病死，进程有创建、异常、终止。人有各种各样的财产，进程有对应的地址空间、设备等等。人被各种各样的东西限制着，被人管着，进程也是。内核无比巨大，从哪着手？我想，从进程的视角来看是个好办法。并且，在学习Linux内核的同时，类比人类社会来看，会有更深刻的印象，理解得更透彻。

作者：马牛（来自豆瓣） 来源：https://book.douban.com/review/2921983/

1.情景引入

C语言代码中的scanf函数会等待用户的输入,那么此时的进程处于闲置的状态

2.操作系统学科对进程状态的分类

例如《 计算机操作系统 慕课版 》第65页:

又如 《 操作系统导论 中译版 》第22页:

又如《 现代操作系统原理与实现》第77页

会发现不同的操作系统书籍对进程的状态的描述都不太一样,但大致分4类:

运行状态、阻塞状态、挂起状态和就绪状态

运行状态

运行状态: 处于运行队列中的进程所处的状态,即进程已经准备好了,可以随时被调度

现认为计算机中只有一个CPU,进程需要占用CPU资源,操而作系统中有很多进程,那么这些进程相互之间一定存在竞争,可以通过调度器保证CPU资源均衡使用,而老师,调度器的其中一个任务是将进程链接到运行队列中,CPU要运行进程时直接在运行队列中队头进程

例如底层为双向链表结构的运行队列:

struct running_queue{    struct running_queue* head;    struct running_queue* tail;}

(注意:是进程的PCB在运行队列中排队)

基于时间片的轮转调度算法

思考一个问题:一个进程只要把自己放到CPU上开始运行了,是不是一直要执行完毕才能把自己放下来?

答:如果是死循环呢?如果按上面这样做,死循环进程会一直占用着CPU的资源,而其他进程得不到执行,会导致操作系统崩溃

那么需要保证进程公平被调度,引入基于时间片的轮转算法(调度算法中的一种)

每个进程都有一个叫做时间片的东西,是分时操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段CPU时间,通常很短

当一个进程的时间片到了,CPU会暂停执行该进程,转而执行下一个进程,这叫进程切换.暂停执行的进程如果没有执行完,会继续排队

进程切换: 大量的把进程从CPU上放上去,再拿下来的动作 

阻塞状态

阻塞状态:进程无法继续执行,处于正在等待某个资源就绪的状态

等待的事件可能为:

1. 等待特定设备,例如IO设备

2. 等待操作系统某些服务,例如内核返回数据

3. 等待其他进程中需要获取的数据

4. 等待子进程退出

注:阻塞不一定等待硬件,也可以等待软件

等待IO设备的例子

假设进程A要读取硬件数据,例如键盘

先想想操作系统是什么管理硬件的?

答:先描述再组织.描述硬件可以用结构体对象,而组织硬件就是将硬件对应的结构体连接起来

当没有从键盘键入数据时,进程A在等待设备,不能放到运行队列中,要放到等待队列(每个硬件的结构体中有等待队列)中

由于处于阻塞状态的进程的PCB在等待队列中,不在运行队列中,则进程不占用CPU资源,因此在用户看来,进程"卡"住了

等待其他进程中需要获取的数据

之前在OS8.【Linux】基本权限(上)文章提到过,fifo可用于终端之间的通信,现在演示阻塞状态

先创建fifo文件:

mkfifo myfifo

再用XShell复制一份选项卡:

写入字符串时,如果另一个终端没有接收会导致进程阻塞:

如果另一个终端接收了:

原理:

命名管道是一端写入另一端读取的通信机制,在写入命名管道的时如果没有任何进程在读取,它就会阻塞,直到有一个读取方连接上来

进程唤醒

定义: 从阻塞状态到运行状态

挂起状态(全称为阻塞挂起状态)

1.当操作系统的内存资源严重不足时,为了保证操作系统自己运行正常,需要节省内存资源

2.如果某个进程在等待,它无事可做,那么操作系统就保留该进程的PCB,但代码和数据放到外设(磁盘)中,这叫调离内存,也称为换出

了解: 如何确定进程在内存中还是在外设中,可以看段描述符

(摘自《x86汇编语言:从实模式到保护模式 第二版》)

简单谈谈虚拟内存管理

当程序超出了物理内存的大小时,或者操作系统无法分配这么大的物理内存空间时,操作系统要使用虚拟内存管理

下面摘自《x86汇编语言:从实模式到保护模式 第二版》

3.挂起状态:处于调离内存状态的进程

4.当条件允许时,操作系统会将该进程调回内存,也称为换入.如果这个进程所有资源已经就绪了,那么只剩调度了,就会按操作系统设计的调度算法来调度进程,可以认为该进程处于运行状态

5.挂起状态全称为阻塞挂起状态: 只要是等待资源的进程都可以说阻塞

就绪状态

就绪状态: 处于已准备好执行的状态的进程 即满足调度的条件了,但是CPU没调度他(预备执行)

*注:就绪状态和运行状态不用区分那么仔细,因为因为CPU调度是很快的,一般只要进程在运行队列里面,就可以认为是运行状态

笔试题

得物二面:阻塞态和就绪态会占用CPU吗?

答: 1.阻塞态从大的角度说是不影响的,因为阻塞是阻塞在IO或者其他上了,自然不被CPU调度,不占用CPU 2.就绪态从大的角度说是等待被调度,而等待被调度自然还没有占用CPU

科大讯飞笔试:进程的状态? 什么情况触发就绪,什么情况触发阻塞?

答:见上方总结

快手一面;就绪态和运行态的区别?

答:见上方总结

3.Linux对进程状态的分类

看看Linux内核源代码对进程状态的定义:

在fs/proc/array.c下:https://github.com/torvalds/linux/blob/master/fs/proc/array.c

/* * The task state array is a strange "bitmap" of * reasons to sleep. Thus "running" is zero, and * you can test for combinations of others with * simple bit tests. */static const char * const task_state_array[] = {	/* states in TASK_REPORT: */	"R (running)",		/* 0x00 */	"S (sleeping)",		/* 0x01 */	"D (disk sleep)",	/* 0x02 */	"T (stopped)",		/* 0x04 */	"t (tracing stop)",	/* 0x08 */	"X (dead)",		/* 0x10 */	"Z (zombie)",		/* 0x20 */	"P (parked)",		/* 0x40 */	/* states beyond TASK_REPORT: */	"I (idle)",		/* 0x80 */};

以这个测试代码为例说明R和S状态:

#include<stdio.h>#include<unistd.h>intmain(){    while(1)    {        printf("The process is runnning...\n");    }    return 0;}

R和S状态 

运行上方代码,再开一个终端捕获该进程的运行状态:

 发现多次捕获发现a.out进程都是"S+"状态.不是R状态

答:这是一个概率问题,R状态相比S状态存在的时间极短,此进程绝大部分时间在等待IO设备(这里是显示器),即处于睡眠状态S (sleeping)

又比如bash命令行解释器,其大部分时间在等待用户的输入,处于S状态

修改以上代码:

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

捕获结果:

执行while(1);是不需要等待显示器资源的,因此进程处于R状态,一直在执行

前台运行

注:R+和S+的+指的是前台运行,即通过终端展示前台进程的信息

进一步解释:进程运行是在内存中通过操作系统的调度算法+ CPU来完成的.进程在运行时,开发者一定是想知道进程的一些调试信息的,所以有的进程会看调用printf、scanf等函数,而这些函数都是与外设来交互的,那么使用printf时,就是向显示器文件输出的,即通过终端呈现出来,对于scanf,输入时,用户也需要要知道自己输入了什么,需要在显示器文件中显示的,也是通过终端来完成的.因此终端主要是展示前台进程的信息的 如果是后台进程,它们的debug信息不可以向终端输出,只能向文件输出,也就是日志

1.在bash中执行命令时默认是前台运行

2.和前台运行对应的是后台运行,在命令后加&可以让进程在后台运行

例如运行刚刚的程序:

终端返回了进程的PID : 11628

可以用kill来杀死进程,Ctrl+C是没有用的

结论

R (running)状态相当于操作系统的运行状态,而S(sleeping)状态相当于操作系统的阻塞状态

D状态

D状态:处于等待某些不可中断的资源状态的进程

例如进程正在向磁盘中写入数据时,进程需要等待写入磁盘的结果

进一步解释:进程A正在向磁盘中写入数据时,如果操作系统的内存资源严重不足,如果操作系统杀死正在等待磁盘写入结果的进程A,那么设想一下: 如果磁盘写入失败,那么磁盘无法报告给进程A,有丢失数据的风险,这会出问题

解决方法:让进程A在等待磁盘写入完毕期间,该进程不能被操作系统杀掉,则进程A处于D状态

对比S状态和D状态,S状态是浅度睡眠,而D状态是深度睡眠,而且深度睡眠和浅度睡眠都是等待某资源就绪,因此都属于阻塞状态

浅度睡眠(S状态又称为Interruptible Sleep n.可中断睡眠)可以被唤醒,而深度睡眠是不能被唤醒的,称为Uninterruptible Sleep n.不可中断睡眠,操作系统(注意主体!!)是无法使用kill命令杀死处于D状态的进程,而且该进程不会响应操作系统的任何请求,除非该进程自己醒来

以下摘自redhat processstates

Uninterruptible Sleep StateAn Uninterruptible sleep state is one that won't handle a signal right away. It will wake only as a result of a waited-upon resource becoming available or after a time-out occurs during that wait (if the time-out is specified when the process is put to sleep). The Uninterruptible state is mostly used by device drivers waiting for disk or network I/O. When the process is sleeping uninterruptibly, signals accumulated during the sleep are noticed when the process returns from the system call or trap. In Linux systems. the command ps -l uses the letter D in the state field (S) to indicate that the process is in an Uninterruptible sleep state. In that case, the process state flag is set as follows:                                         p->state = TASK_UNINTERRUPTABLE LEARN MORE: Read more about D states in the Red Hat Knowledgebase: https://access.redhat.com/knowledge/solutions/59989/

实验:模拟高IO访问的情况

模拟处于D状态的进程,例如生成一个较大的文件:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS#include<stdio.h>#include<cstdlib>#include<string.h>#include<random>#include<ctime>#include<climits>#define BUFFER_SIZE 1024 * 1024 * 5//5MB缓冲区intmain(){    // 分配缓冲区    unsigned long long* buffer = (unsigned long long*)malloc(BUFFER_SIZE);    if (buffer == NULL)     {        perror("malloc fail");        return -1;    }    std::uniform_int_distribution<unsignedlonglong> distribution(0, ULLONG_MAX);    std::default_random_engine generator;    // 打开文件    printf("create random numbers.bin......\n");    FILE* fptr = fopen("random numbers.bin", "wb");    if (fptr == NULL)    {        perror("Fail to open file!\n");        free(buffer);        return -1;    }    printf("writing data......\n");    srand((unsigned int)time(NULL));    int times =2048;    while (times--)    {        //先填满缓冲区        unsigned long long buf_index = 0;        while (buf_index < BUFFER_SIZE/8)        {            unsigned long long random = distribution(generator);            buffer[buf_index] = random;            buf_index++;        }        printf("write buffer%d,bin file's size:%dMB\n", 2048 - times, (2048 - times)*5);        fwrite(buffer, sizeof(unsigned long long), BUFFER_SIZE / sizeof(unsigned long long), fptr);    }    printf("done!\n");    printf("free buffer......\n");    free(buffer);    printf("close file......\n");    fclose(fptr);    printf("press any key to quit\n");    getchar();    return 0;}

运行结果:

结论

1.D状态本身是操作系统正常处理IO的表现,一般处于D状态的进程持续时间较短

2.但如果大量进程持续处于D状态,会占用大量资源,操作系统会负载,容易产生故障