一、操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)

1.1運(yùn)行狀態(tài)

• 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程準(zhǔn)備就緒，獲得了CPU資源，就會(huì)在CPU所維護(hù)的運(yùn)行隊(duì)列上等待CPU的調(diào)度
• 一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行或者處于運(yùn)行隊(duì)列中，都叫做運(yùn)行狀態(tài)
• 一個(gè)進(jìn)程并不是一直在CPU上執(zhí)行的，而是會(huì)以進(jìn)程切換的方式，在一段時(shí)間內(nèi)，使多個(gè)進(jìn)程同時(shí)被推進(jìn)---并發(fā)
• CPU對(duì)進(jìn)程的調(diào)度是基于進(jìn)程切換和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度算法

1.2阻塞狀態(tài)

• 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在等待某種IO事件的完成，實(shí)際上就是在等待獲取某種資源，那么該進(jìn)程就處于一種阻塞狀態(tài)
• 操作系統(tǒng)對(duì)軟硬件資源進(jìn)行管理，都要遵循“先描述再組織”的原則，操作系統(tǒng)對(duì)外設(shè)的管理就是在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)個(gè)的外設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象，再用鏈表的方式組織起來(lái)
• 每一個(gè)外設(shè)的pcb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象都會(huì)包含一個(gè)等待隊(duì)列，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在獲取某種外設(shè)資源時(shí)（比如scanf），外設(shè)資源還未準(zhǔn)備好，該進(jìn)程就會(huì)鏈入該外設(shè)的pcb等待隊(duì)列進(jìn)行等待，此時(shí)進(jìn)程就處于阻塞狀態(tài)，直到資源準(zhǔn)備就緒，才會(huì)被鏈入運(yùn)行隊(duì)列等待CPU調(diào)度，將狀態(tài)S改為R

1.3掛起

• 當(dāng)進(jìn)程在隊(duì)列中排隊(duì)，操作系統(tǒng)的資源嚴(yán)重不足或者操作系統(tǒng)需要給新加入的進(jìn)程提供空間，那么此時(shí)操作系統(tǒng)就會(huì)將正在等待排隊(duì)的進(jìn)程所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和代碼換出到外設(shè)分區(qū)中，等到該進(jìn)程被調(diào)度了再換入給該進(jìn)程
• 從換出到換出的過(guò)程，進(jìn)程處于掛起狀態(tài)

二、Linux下具體的狀態(tài)

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就是操作系統(tǒng)中進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)：并不意味著該進(jìn)程一定在運(yùn)行中，它表明該進(jìn)程要么在運(yùn)行要么在運(yùn)行隊(duì)列中
• S和D狀態(tài)都對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)中的阻塞狀態(tài)：S是一種淺度睡眠，可以被喚醒；D是一種深度睡眠，不會(huì)響應(yīng)任何請(qǐng)求
• 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在進(jìn)行某種IO事件，比如在向磁盤(pán)寫(xiě)入重要數(shù)據(jù)的時(shí)候，它必須等待磁盤(pán)寫(xiě)入完畢將寫(xiě)入結(jié)果反饋給進(jìn)程，再反饋給上層用戶，但如果這時(shí)候操作系統(tǒng)的資源嚴(yán)重不足，進(jìn)程掛起已經(jīng)沒(méi)辦法解決問(wèn)題了，操作系統(tǒng)就會(huì)選擇殺掉進(jìn)程，如果一個(gè)進(jìn)程在等待磁盤(pán)寫(xiě)入完畢的期間被殺掉，那么就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失！為了防止這種情況，必須給該進(jìn)程一個(gè)標(biāo)識(shí)符--D，告訴操作系統(tǒng)我這個(gè)進(jìn)程在等待磁盤(pán)寫(xiě)入完畢的期間是不能被殺掉的
• T停止?fàn)顟B(tài)：可以通過(guò)發(fā)送SIGSTOP來(lái)停止進(jìn)程，可以發(fā)送SIGCONT來(lái)讓進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程想要獲取某種資源或者被其他進(jìn)程控制（如gdb），就可能會(huì)出現(xiàn)T狀態(tài)

• R就是操作系統(tǒng)中進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)：并不意味著該進(jìn)程一定在運(yùn)行中，它表明該進(jìn)程要么在運(yùn)行要么在運(yùn)行隊(duì)列中
• S和D狀態(tài)都對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)中的阻塞狀態(tài)：S是一種淺度睡眠，可以被喚醒；D是一種深度睡眠，不會(huì)響應(yīng)任何請(qǐng)求
• 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在進(jìn)行某種IO事件，比如在向磁盤(pán)寫(xiě)入重要數(shù)據(jù)的時(shí)候，它必須等待磁盤(pán)寫(xiě)入完畢將寫(xiě)入結(jié)果反饋給進(jìn)程，再反饋給上層用戶，但如果這時(shí)候操作系統(tǒng)的資源嚴(yán)重不足，進(jìn)程掛起已經(jīng)沒(méi)辦法解決問(wèn)題了，操作系統(tǒng)就會(huì)選擇殺掉進(jìn)程，如果一個(gè)進(jìn)程在等待磁盤(pán)寫(xiě)入完畢的期間被殺掉，那么就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失！為了防止這種情況，必須給該進(jìn)程一個(gè)標(biāo)識(shí)符--D，告訴操作系統(tǒng)我這個(gè)進(jìn)程在等待磁盤(pán)寫(xiě)入完畢的期間是不能被殺掉的
• T停止?fàn)顟B(tài)：可以通過(guò)發(fā)送SIGSTOP來(lái)停止進(jìn)程，可以發(fā)送SIGCONT來(lái)讓進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程想要獲取某種資源或者被其他進(jìn)程控制（如gdb），就可能會(huì)出現(xiàn)T狀態(tài)

子進(jìn)程退出，父進(jìn)程沒(méi)有退出并且沒(méi)有回收子進(jìn)程的退出信息，就會(huì)使子進(jìn)程進(jìn)入僵尸進(jìn)程

• 孤兒進(jìn)程：當(dāng)子進(jìn)程還沒(méi)退出，父進(jìn)程就已經(jīng)推出了，那么該子進(jìn)程就會(huì)被1號(hào)進(jìn)程（操作系統(tǒng)）領(lǐng)養(yǎng)，此時(shí)的子進(jìn)程就叫做孤兒進(jìn)程。
• 為什么要被1號(hào)進(jìn)程領(lǐng)養(yǎng)？
• 為了讓子進(jìn)程在退出的時(shí)候可以被回收退出信息。此時(shí)退出進(jìn)程不能再用Ctrl C 而應(yīng)該使用kill -9 殺掉進(jìn)程

三、進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)

3.1基本概念

• CPU的資源是有限的，但是進(jìn)程是多個(gè)的，這就注定了進(jìn)程之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系
• 為了保證進(jìn)程被CPU調(diào)度的公平和良性競(jìng)爭(zhēng)，就必須引入進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的概念
• 進(jìn)程優(yōu)先級(jí)是指CPU分配資源的先后順序（訪問(wèn)資源的先后順序）
• 如果一個(gè)進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法訪問(wèn)到資源，代碼無(wú)法被推進(jìn)，就會(huì)導(dǎo)致該進(jìn)程的饑餓問(wèn)題
• 優(yōu)先權(quán)高的進(jìn)程有優(yōu)先執(zhí)行權(quán)利。配置進(jìn)程優(yōu)先權(quán)對(duì)多任務(wù)環(huán)境的linux很有用，可能改善系統(tǒng)性能
• 還可以把進(jìn)程運(yùn)行到指定的CPU上，這樣一來(lái)，把不重要的進(jìn)程安排到某個(gè)CPU，可以大大改善系統(tǒng)整 體性能

3.2查看進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的命令

• 使用 ps -al

• UID: 代表執(zhí)行者的身份
• PID: 代表這個(gè)進(jìn)程的代號(hào)
• PPID：代表這個(gè)進(jìn)程是由哪個(gè)進(jìn)程發(fā)展衍生而來(lái)的，亦即父進(jìn)程的代號(hào)
• PRI：代表這個(gè)進(jìn)程可被執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)，其值越小越早被執(zhí)行
• NI ：代表這個(gè)進(jìn)程的 nice 值

PRI即進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，通俗點(diǎn)說(shuō)就是程序被CPU執(zhí)行的先后順序，此值越小

進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)別越高（默認(rèn)80）

NI就是nice值，其表示進(jìn)程可被執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)的修正數(shù)值

PRI值越小越快被執(zhí)行，那么加入nice值后，將會(huì)使得PRI變?yōu)椋篜RI(new)=PRI(old)+nice

這樣，當(dāng)nice值為負(fù)值的時(shí)候，那么該程序?qū)?huì)優(yōu)先級(jí)值將變小，即其優(yōu)先級(jí)會(huì)變高，則其越快被執(zhí)行

所以，調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，在Linux下，就是調(diào)整進(jìn)程nice值 ，Linux為了保證優(yōu)先級(jí)的調(diào)整范圍，nice其取值范圍是-20至19，一共40個(gè)級(jí)別

3.3修改進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的命令

• 使用top r + 進(jìn)程pid + 修正的nice值

操作系統(tǒng)是如何根據(jù)優(yōu)先級(jí)展開(kāi)調(diào)度的呢？

CPU會(huì)維護(hù)一個(gè)runqueue，runqueue中有兩個(gè)調(diào)度隊(duì)列，他們本質(zhì)上是兩個(gè)指針數(shù)組，存儲(chǔ)40個(gè)優(yōu)先級(jí)所一一對(duì)應(yīng)的40個(gè)隊(duì)列的指針，再結(jié)合位圖的思想（調(diào)度完畢的隊(duì)列為0，未調(diào)度完畢的隊(duì)列為1），針對(duì)不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度！

新加入的進(jìn)程或者被進(jìn)程切換下來(lái)的進(jìn)程會(huì)鏈接到另外一個(gè)調(diào)度隊(duì)列的對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列當(dāng)中去，直到前一個(gè)調(diào)度隊(duì)列全部調(diào)度完后，swap交換兩個(gè)隊(duì)列的指針，對(duì)另外一個(gè)未調(diào)度的隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度，以此循環(huán)往復(fù)，也叫Linux內(nèi)核的O(1)調(diào)度算法

3.4其他概念

• 競(jìng)爭(zhēng)性: 系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個(gè)，所以進(jìn)程之間是具有競(jìng)爭(zhēng)屬性的。為了高效完成任務(wù)，更合理競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)資源，便具有了優(yōu)先級(jí)
• 獨(dú)立性: 多進(jìn)程運(yùn)行，需要獨(dú)享各種資源，多進(jìn)程運(yùn)行期間互不干擾
• 并行: 多個(gè)進(jìn)程在多個(gè)CPU下分別，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，這稱之為并行
• 并發(fā): 多個(gè)進(jìn)程在一個(gè)CPU下采用進(jìn)程切換的方式，在一段時(shí)間之內(nèi)，讓多個(gè)進(jìn)程都得以推進(jìn)，稱之為并發(fā)

3.5并發(fā)

• 函數(shù)的返回值是如何被外部拿到的？----通過(guò)CPU寄存器
• 系統(tǒng)如何得知我們當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行到哪一行代碼？----通過(guò)pc(eip)程序計(jì)數(shù)器，記錄當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行的指令的下一條指令的地址
• CPU中的寄存器很多！將進(jìn)程中的高頻數(shù)據(jù)放入到CPU的寄存器中可以提高效率
• 問(wèn)題是，我們?cè)谶M(jìn)行進(jìn)程切換到時(shí)候，如果不把屬于當(dāng)前進(jìn)程的存儲(chǔ)在寄存器中的數(shù)據(jù)帶走，那么下一個(gè)來(lái)的進(jìn)程在把數(shù)據(jù)放入寄存器的時(shí)候就會(huì)將上一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)覆蓋，等到該進(jìn)程重新被CPU調(diào)度，就無(wú)法從上一次執(zhí)行的位置繼續(xù)往下執(zhí)行
• CPU的寄存器中保存的是進(jìn)程的臨時(shí)數(shù)據(jù)，也叫進(jìn)程的上下文
• 一個(gè)進(jìn)程在被CPU高頻調(diào)度的時(shí)候，必須經(jīng)歷調(diào)度----排隊(duì)，在這個(gè)過(guò)程中，進(jìn)程離開(kāi)CPU必須自己保存上下文帶走，再被調(diào)度時(shí)恢復(fù)上下文
• 總之，進(jìn)程切換涉及到保存上下文和恢復(fù)上下文，寄存器中的數(shù)據(jù)在被保存時(shí)實(shí)際上是以結(jié)構(gòu)體的形式被保存在內(nèi)存中，進(jìn)程的pcb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象中存在一個(gè)指向該結(jié)構(gòu)體的指針

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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