Linux进程状态浅析


　　众所周知，现在的分时操作系统能够在一个CPU上运行多个程序，让这些程序表面上看起来是在同时运行的。Linux就是这样的一个操作系统。

　　在Linux系统中，每个被运行的程序实例对应一个或多个进程。Linux内核需要对这些进程进行管理，以使它们在系统中“同时”运行。Linux内核对进程的这种管理分两个方面：进程状态管理，和进程调度。本文主要介绍进程状态管理，进程调度见《Linux进程调度浅析》。

　　进程状态

　　在Linux下，通过ps命令我们能够查看到系统中存在的进程，以及它们的状态：

　　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。而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。

　　只要可执行队列不为空，其对应的CPU就不能偷懒，就要执行其中某个进程。一般称此时的CPU“忙碌”。对应的，CPU“空闲”就是指其对应的可执行队列为空，以致于CPU无事可做。

　　有人问，为什么死循环程序会导致CPU占用高呢？因为死循环程序基本上总是处于TASK_RUNNING状态（进程处于可执行队列中）。除非一些非常极端情况（比如系统内存严重紧缺，导致进程的某些需要使用的页面被换出，并且在页面需要换入时又无法分配到内存……），否则这个进程不会睡眠。所以CPU的可执行队列总是不为空（至少有这么个进程存在），CPU也就不会“空闲”。

　　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。

　　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、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，进程列表中的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，如果不是绝大多数进程都在睡眠，CPU又怎么响应得过来。

　　D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中断的睡眠状态。

　　与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。

　　而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。（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，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。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》）。

　　通过下面的代码就能得到处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程：

　　#include <unistd.h>

　　void main() {

　　if (!vfork()) sleep(100);

　　}

　　编译运行，然后ps一下：

　　kouu@kouu-one:~/test$ ps -ax | grep a\.out

　　4371 pts/0    D+     0:00 ./a.out

　　4372 pts/0    S+     0:00 ./a.out

　　4374 pts/1    S+     0:00 grep a.out

　　然后我们可以试验一下TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的威力。不管kill还是kill -9，这个TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的父进程依然屹立不倒。

　　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）。（SIGSTOP与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。

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