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Linux系统编程Day11 -- 进程属性和常见进程

news 2025/8/11 11:43:09

    往期内容回顾

        进程管理

        理解计算机的软硬件管理

前言

在现代操作系统中，进程管理是核心模块之一。它负责调度和控制计算机中的所有程序执行，确保多任务环境下系统资源的合理分配和高效利用。理解进程管理对于深入掌握操作系统原理、提升编程技能以及系统优化都有重要意义。

大纲

本文将围绕进程管理的基本属性和常见进程类型展开介绍，帮助读者系统了解操作系统中进程的运行机制和管理方法。

一、进程管理的属性

进程是程序的一次执行实例，是系统进行资源分配和调度的基本单位。一个进程通常包含以下几个关键属性：

进程标识符（PID）

每个进程都有唯一的PID，用于操作系统跟踪和管理。利用getpid()可以获取对应进程的PID。

getppid则获取对应进程的父进程的PPID。

进程状态

进程在执行过程中会处于不同状态，常见状态包括

1. 新建（New）

定义：进程刚被创建，还没有准备好执行。
说明：在这个阶段，操作系统为进程分配必要的资源（如进程控制块PCB、内存空间等），还没有被加入到就绪队列中。

2. 就绪（Ready）

定义：进程已准备好执行，等待CPU分配。
说明：进程拥有所有必需资源，但当前CPU被其他进程占用，暂时处于等待状态。就绪队列中可能有多个进程，调度程序根据调度算法选择其中一个进入运行状态。

3. 运行（Running）

定义：进程正在CPU上执行指令。
说明：此时进程占用CPU资源，执行其程序代码。只有一个进程能在单核CPU上处于运行状态，多核CPU则允许多个进程同时运行（各占一个CPU核）。

4. 阻塞（Blocked / Waiting）

定义：进程等待某些事件（如I/O完成、信号量释放）而无法继续执行。
说明：当进程执行到需要等待外部资源（如磁盘读写、用户输入、网络数据）时，它会主动放弃CPU，进入阻塞状态。阻塞的进程不参与CPU调度。

5. 终止（Terminated / Exit）

定义：进程执行完毕或被操作系统/用户强制结束。
说明：进程释放所占用的所有资源，操作系统清理其进程控制块。若父进程未回收该进程的退出状态，会暂时形成僵尸进程。

6. 挂起（Suspended）

挂起状态是指进程暂时被操作系统从内存中“挂起”，即暂停执行且不占用CPU时间，同时其内存可能被换出到磁盘（交换空间）。挂起通常用于：

系统内存紧张时，将某些就绪或阻塞进程挂起，以释放内存。
用户或管理员手动暂停某个进程。

挂起分为两种：

挂起就绪（Suspended Ready）：进程在就绪队列中，但不在内存，等待被重新调入内存后进入就绪状态。
挂起阻塞（Suspended Blocked）：进程在阻塞队列中，但也被换出内存。

7. 僵尸进程（Zombie）

操作系统角度

僵尸进程是已经执行完毕（退出）的进程，但其父进程尚未读取子进程的退出状态，因此操作系统保留了该进程的PCB，便于父进程调用wait()回收资源。僵尸进程：

不占用CPU和内存资源，只占用进程表项。
如果父进程不回收，僵尸进程会一直存在，导致进程表资源浪费。

数据结构角度

僵尸状态在PCB中的状态字段标记为ZOMBIE。
PCB中保存的资源几乎全部释放，但保留了少量信息（如退出码、PID等），以便父进程获取。
进程表中占据一个条目，但不会出现在就绪或阻塞队列

8. 停止（Stopped）

定义：停止状态指进程被暂停执行，通常是由用户信号（如SIGSTOP）或调试器发出暂停指令引起。与挂起不同，停止状态的进程仍驻留内存，但CPU不调度其运行。

说明：进程处于停止状态时不会占用CPU资源，但保留所有资源。
可以通过信号（如SIGCONT）恢复运行。
Linux

常见状态有：R (Running or Runnable)、S (Sleeping)、D (Uninterruptible sleep)、Z (Zombie)、T (Stopped)、X(dead)等。

进程状态查看：

1、Running 运行状态

写一个死循环脚本
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main(){while (1) {int a = 2;a += 1;}   
}
root 590 1 590 0 0 Ss ?? 10:23.38 /usr/libexec/runningboardd

junye 11968 10590 11968 0 1 R+ s001 0:03.03 ./running

junye 11970 11662 11969 0 2 S+ s006 0:00.00 grep running

显示的进程状态为 Running 状态。

2、sleep 休眠状态
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main(){while (1) {printf("hello my pid is %d!\n", getpid());sleep(2);}   
}
查看进程

root 590 1 590 0 0 Ss ?? 10:21.32 /usr/libexec/runningboardd

junye 11786 10590 11786 0 1 S+ s001 0:00.01 ./running

junye 11791 11662 11790 0 2 S+ s006 0:00.00 grep running

显示的进程状态为 sleep 状态。

S 表示你的进程当前处于睡眠状态 --> 阻塞状态的一种，即进程正在等待某个事件（比如I/O完成、信号等），因此暂时没有占用CPU。这里使用printf访问外设，很慢所以在休眠状态。带+表示前台进程组可以被 ctrl+c终止。

3、暂停状态Stopped

当某个程序在运行时，使用kill -19 暂停其进程，此进程显示为T。

背景知识：前台进程组 vs 后台进程组

在 Unix/Linux 系统中，进程是以**进程组（process group）**组织的，方便终端控制和信号管理。
前台进程组是当前终端正在交互的进程组，它可以接收来自终端的信号（如 Ctrl+C 的 SIGINT，Ctrl+Z 的 SIGTSTP）。
后台进程组是非交互运行的进程组，不直接接受终端信号。
带 + 号表示这个进程是前台进程组（foreground process group）的成员。
不带 + 号表示这个进程不在前台进程组，通常是后台进程或守护进程。

状态转换示意

新建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 就绪 → 运行 → 终止

新建 → 就绪：进程创建完成，准备好执行。
就绪 → 运行：调度器分配CPU给进程。
运行 → 阻塞：进程等待I/O或其他事件。
阻塞 → 就绪：等待事件完成，进程重新进入就绪队列。
运行 → 就绪：CPU时间片用完，进程让出CPU，回到就绪队列等待下次调度。
运行 → 终止：进程完成任务或被强制退出。

程序计数器（PC）

指示下一条要执行的指令地址。
寄存器内容

进程执行时CPU寄存器的值。
内存管理信息

包括代码段、数据段、堆栈等所在内存空间。
资源信息

如打开的文件、信号量、I/O设备等。
进程优先级

用于调度决策，优先级高的进程优先获得CPU时间。
父子关系

进程之间的创建关系，例如一个进程可以创建子进程。

二、常用的进程类型

根据不同的功能和生命周期，进程大致可以分为以下几类：

系统进程（System Processes）

负责操作系统核心功能的进程，如内核守护进程、调度器等，通常在后台运行，不直接与用户交互。
用户进程（User Processes）

由用户启动，执行用户应用程序。它们通过系统调用与操作系统交互。
守护进程（Daemon Processes）

一类特殊的后台进程，常驻内存，负责监控系统事件或提供服务，如网络服务守护进程sshd。
僵尸进程（Zombie Processes）

子进程结束后父进程未及时回收资源，保留少量进程信息的“死”进程。它们不占用CPU和内存，但占用进程表项。
孤儿进程（Orphan Processes）

父进程终止后，子进程依然运行，由操作系统将其“收养”并挂载到init进程下。