【Linux取经路】探索进程状态之僵尸进程 | 孤儿进程

一、进程状态概述

进程状态是指在操作系统中，一个进程所处的不同运行状态，进程状态就决定了该进程接下来要执行什么任务。常见的进程状态有以下几种：

• 新建状态：进程被创建但还没有被操作系统接受和分配资源。

• 就绪状态：进程已经获得了所需的资源，并等待被调度执行。

• 运行状态：进程正在执行指令，占用CPU资源。

• 阻塞状态：进程因等待某个事件（如IO操作）而暂时停止执行，并释放CPU等资源。

• 终止状态：进程执行完成或被终止，释放所有资源。

1.1 运行状态详解

在上一篇文章【Linux取经路】揭秘进程的父与子提到过，一般的计算机中只有一个 CPU，而进程却可能有很多个，这就注定了 CPU 是一个少量的资源，对所有的进程来说，运行的本质，就是把它放到 CPU 上，所以每个 CPU 都会维护一个运行队列，CPU 以队列的形式对进程做调度。所有的进程要运行都要在运行队列中排队，参与排队的是每个进程的 PCB 对象。所有在运行队列中的进程，它们所处的状态就叫做运行态(R状态)。

一个进程只要把自己放到 CPU 上开始运行，并不是一直要执行完毕，才把自己放下来。如果一个进程被放到 CPU 上直到执行完毕才把自己放下来继续去执行其他进程，那当我们的程序中写了一个 while 死循环出来，在运行该程序的时候，其他的应用就会卡住。但现实并不是这样，我们写了一个 while 死循环，其他程序照样可以正常运行。为了避免这种一个进程长时间占用 CPU 资源的情况出现，提出了时间片的概念。

时间片是操作系统中任务调度算法的一种思想，即将 CPU 的执行时间划分成固定长度的时间段，每个时间段称为一个时间片。在每个时间片内，操作系统将 CPU 分配给一个任务进行执行，当时间片耗尽时，操作系统会中断当前任务，并将 CPU 分配给下一个任务。时间片一般是10毫秒左右，所以在一个时间段内所有的进程代码都会被执行，我们将这种情况叫做并发执行。这种情况下会有大量的把进程放上 CPU 和从 CPU 拿下来的动作，这就叫做进程切换。

1.2 阻塞状态详解

最常见的阻塞状态就是一个进程需要通过键盘读取数据。当一个进程等待从键盘输入的过程，此时该进程就处在阻塞状态。键盘是一种硬件，在冯诺依曼结构体系中属于输入设备（外设），操作系统对硬件资源的管理是先描述再组织，因此每一个硬件都会对应一个结构体对象，该结构体对象中一定会维护一个等待队列，当一个进程需要利用该硬件资源时，进程的 PCB 对象就会被链入该等待队列，此时进程就处于阻塞状态。

小Tips：操作系统中的等待队列可能有成百上千个，不仅每一种硬件有等待队列，进程中也有等待队列，可能会出现一个进程等待另一个进程结束后才能继续运行。不同的操作系统，调度算法也会不同。

1.3 挂起状态详解

在一些操作系统的教材上还会出现挂起状态。无论是运行状态还是阻塞状态，一个进程在没有被 CPU 调度的情况下，它的代码和数据是处于空闲的，即没有被使用。之前说过一个进程在内存中有它自己的代码和数据，还有自己的 PCB 对象，当内存空间告急时，操作系统就会把这些没有被 CPU 调度的进程的代码和数据先放到磁盘中存储，只留进程的 PCB 对象在队列中排队，这种进程就处于挂起状态。

上面介绍的这些属于操作系统学科的理论知识，不同的操作系统可能会有不同的实现方案，下面我们来深入看看具体的 Linux 操作系统中有哪些进程状态。

小Tips：挂起状态对用户是不可见的，这是操作系统的一种行为。就像我们把钱存银行里，我们并不知道银行把我们的钱拿去干嘛了，银行可能把我们的钱借出去了或者给员工发工资了等等，我们作为客户不得而知，我们只知道如果存的是活期，可以随时到银行把钱取出来，如果存的是死期只有到期了才能取出来。

二、具体的Linux操作系统中的进程状态

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在 Linux 内核里，进程有时候也被叫做任务）。

2.1 Linux内核源代码

/*
* 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[] = {"R (running)", /* 0 */"S (sleeping)", /* 1 */"D (disk sleep)", /* 2 */"T (stopped)", /* 4 */"t (tracing stop)", /* 8 */"X (dead)", /* 16 */"Z (zombie)", /* 32 */
};

• R运行状态(running)：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么是在运行队列里。

• S睡眠状态(sleeping)：意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠(interruptible sleep)），它对应操作系统理论中的阻塞状态。

• D磁盘休眠状态(Disk sleep)：有时候也叫不可中断睡眠状态(uninterruptible sleep)，在这个状态的进程通常会等待 IO 的结束。

• T停止状态(stopped)：可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。

• X死亡状态(dead)：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。

2.2 查看进程状态

先来看看下面这段代码执行起来后的进程状态。

int main()                                                    
{                                                             while(1)                                                  {    printf("Hello Linux\n!");                                                           }    return 0;    
}  

可以看出这段代码执行起来后的进程状态是 S睡眠状态，将 while 循环中的打印去掉再去执行代码看看进程状态。

int main()                                                    
{                                                             while(1);                                                  return 0;    
}  

此时代码中只剩一个 while 死循环，去执行这段代码，进程状态变成了 R运行状态。为什么会出现在这种情况呢？原因是 CPU 的执行速度是非常快的，第一段代码中的 printf 是要去频繁的访问显示器设备，而我们的显示器可能并不能被该进程直接去写入，所以该进程大部时间都在显示器的等待队列里等待显示设备就绪，因此最终查出来的进程状态是 S睡眠状态。当我们去掉 printf 之后，该进程就不会去访问显示器设备，始终都在运行队列里，所以最终查出来的进程状态是 R运行状态。

小Tips：查询结果中显示的+表示该进程在前台运行，这意味我们此时在 bash 命令行输指令是不会有任何反应的，可以在输入指令的后面加上&，此时表示让该进程在后台运行，要终止掉该进程只能通过指令kill -9 进程PID。

2.3 D磁盘休眠状态(Disk sleep)

D状态也是一种阻塞状态，在 Linux 系统层面我们称作深度睡眠，S状态称作浅度睡眠。浅度睡眠是可以被唤醒的，即可以响应外部的变化，我们可以通过 kill 指令（其他进程）将浅度睡眠的进程终止掉。下面通过一个情景剧来给大家介绍为什么要有 D 状态，以及 D 状态的作用。

有这样一个场景，一个进程需要向磁盘中写入大量数据。在正常情况下往磁盘中写入数据，进程是需要等待的，等磁盘写完后给进程一个信号，然后进程才能继续去运行。有一天进程A就在向磁盘中写入大量数据，磁盘在写入的过程中，进程A就在内存中翘着二郎腿，嗑着瓜子在等待磁盘写完了给它发信息，此时路过的操作系统发现了进程A，它对进程A说：“我这内存压力都大的不行了，你小子倒好，占着内存不干正事，还在这嗑瓜子！”。于是乎操作系统就将进程A kill 掉了。此时磁盘傻眼了，数据写到一半进程没了，因为进程没了，所以磁盘就把写入的数据删除了，最终结果就是数据没有被写入磁盘。究竟是谁导致了这场悲剧的发生呢？于是乎法官就出来，它先审问操作系统，进程是你 kill 掉的，你怎么解释？操作系统说，我命苦呀，我只是完成了我的本职工作呀，为了给用户提供流畅的运行环境，将一些进程 kill 掉是我的职责呀，这不是我的问题呀。接着法官又来问磁盘，数据是你丢失的，你该如何解释？磁盘说，我祖祖辈辈都是这样工作的呀，进程它让我写入数据，结果自己不见了，其它磁盘遇到这种情况也是将数据丢弃掉呀，你如果判我有罪，那岂不是我的父亲、母亲都有罪呀。最后法官来问进程A，进程还没等法官开口就扑通跪下说，法官大人您明察秋毫呀，我才是被 kill 掉的那个，我属于被害人呀，我怎么会有罪呢。法官听了一圈，感觉大家都没罪，最终法官宣判了，你们三个都没罪，是制度问题，回去我改改操作系统，当进程在向磁盘中写入数据的时候任何人都不能将该进程 kill 掉。于是 D 状态就诞生了。当一个进程处于 D 状态的时候，它不会响应任何请求，任何人和操作系统都不能将该进程 kill 掉。

小Tips：结束掉 D 状态的方法有两种，一是等待某个条件满足，如等待数据写完，二是直接断电。如果被用户查到 D 状态的进程，那就预示着这个操作系统离崩溃不远啦。所以 D 状态会有，但是一般出现的时间都非常短。

2.4 T停止状态(stopped)

在 Linux 内核源代码中我们可以看到连个 T 状态，一个是 T ，一个是 t，我们可以认为这两个 T 状态是一样的，对于一个进程，我们可以通过下面这条指令将它设置成停止状态。

kill -19 进程PID

可以通过下面这条指令来结束停止状态。

kill -18 进程PID//

小Tips：结束停止状态的进程会到后台运行，要终止掉这个进程只能通过 kill -9指令。T状态和S状态很像，其中S状态的进程一定是在等待某种资源，而T状态的进程可能是在等待某种资源，也可能是在被其他进程控制。我们在打断点调试一段代码的时候，该进程就会处于T状态。

三、僵尸进程

一个进程在退出时并不是立即将自己所有资源全部释放，当一个进程退出时，操作系统会把当前进程的各种信息维持一段时间，这个状态就叫做 Z 僵尸状态。维持信息是给关心它的“人”，也就是父进程来查看的。如果父进程一直没有来关心退出的子进程，那么这个子进程将长时间处于 Z 状态。

int main()    
{    pid_t id = fork();    if(id == 0)    {    int cnt = 5;    while(cnt)    {    printf("我是子进程,PID是：%d,PPID：%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);                    sleep(1);    cnt--;    }    _exit(0);    }    else {while(1){printf("我是父进程,PID是：%d,PPID：%d\n",getpid(),getppid());sleep(1);}}return 0;
}

上面这段代码在 process 进程中通过调用 fork 接口创建了一个子进程，子进程在执行完五次打印后就会被终止掉，其中的 exit 函数就是用来终止一个进程，父进程将一直运行。

子进程执行完5次打印后就处于 Z 状态并且后面跟了一个单词 defunct，该单词有死了的，不存在的意思，只不过它还再等父进程来回收它的资源。处于 Z 状态的进程的相关资源尤其是 task_struct 结构体不能被释放。只有当父进程把子进程的相关资源回收后，子进程才能变成 X死亡状态。我们将这种处于 Z 状态的进程就叫做僵尸进程，如果父进程一直不来回收，那这种进程会长时间占用内存资源，造成内存泄漏。

3.1 僵尸进程危害总结

1. 进程的退出状态必须被维持下去，因为它要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就将一直处于 Z 状态。

2. 维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在 PCB 对象中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护。

3. 一个父进程如果创建了很多的子进程，就是不回收，会造成内存资源的浪费，因为 PCB 对象本身就要占用内存。

4. 造成内存泄漏。

四、孤儿进程

上面我们是让子进程先退出，父进程一直运行，接下来我们让父进程先退出，子进程一直运行，看看会有什么结果。

int main()    
{    pid_t id = fork();    if(id == 0)    {//子进程    int cnt = 500;    while(cnt)    {    printf("我是子进程,PID是：%d,PPID：%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);    sleep(1);    cnt--;    }    _exit(0);    }    else    {//父进程    int cnt = 5;//这里的cnt是5，意味着父进程会先执行结束    while(cnt--)    {    printf("我是父进程,PID是：%d,PPID：%d,cnt:%d\n",getpid(),getppid(),cnt);sleep(1);                                                                        }    }    return 0;    
}

可以看到父进程在执行结束后就只剩下子进程，为什么父进程不会处在 Z僵尸状态呢？答案是父进程也是 bash 的子进程，父进程在执行结束后，它的父进程 bash 会将其回收掉，并且过程非常快，所以我们我们没有看到父进程处在 Z僵尸状态。其次我们发现，当父进程结束后，它的子进程的父进程会变成1号进程，即操作系统。我们将父进程是1号进程的进程叫做孤儿进程，该进程被系统领养。因为孤儿进程未来也会退出，也要被释放，所以它需要被领养。

小Tips：所有的进程只对它的“儿子”，即子进程负责，不会对它的孙子进程负责，因为代码中只有创建子进程的逻辑，并没有创建孙子进程的逻辑，所以并不是不想让爷爷进程来回收孙子进程的资源，是因为爷爷进程没有这个本事，而操作系统会直接从内核层面进行回收，所以当一个进程的父进程结束后，会把该进程交给操作系统，让操作系统来充当它的父进程。

五、结语

今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，春人的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是春人前进的动力！