六十天Linux从0到项目搭建（第十一天）（阻塞、挂起、进程状态、退出码）

1 阻塞（Blocking）

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1. 阻塞的定义

阻塞 是指进程因等待某种资源（如磁盘I/O、网络数据、锁等）暂时无法继续执行，从而进入“暂停”状态，直到资源就绪后被唤醒。

• 核心特点：

  • 进程 主动放弃CPU（不再被调度）。

  • 一定是因为 需要等待资源（如数据未到达、设备忙）。

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2. 阻塞的底层原理

(1) 进程如何被阻塞？

• 步骤：

  1. 进程请求资源（如 read() 读取磁盘数据）。

  2. 若资源未就绪（如磁盘忙），OS 将进程的 PCB（task_struct）加入等待队列。

  3. 进程状态改为 TASK_INTERRUPTIBLE（可中断睡眠）或 TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断睡眠）。

  4. 调度器选择其他就绪进程运行，当前进程 暂停执行。

• 关键数据结构

  // 设备驱动中的等待队列（Linux内核示例）
  struct device {
      struct task_struct *wait_queue;  // 阻塞在该设备上的进程队列
      // 其他设备属性...
  };

(2) 阻塞的代码表现

// 用户态调用 read() 触发阻塞（底层通过系统调用）
char buf[100];
int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
ssize_t n = read(fd, buf, 100);  // 若数据未就绪，进程阻塞在此！

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3. 阻塞的管理模型

(1) 先描述，再组织

• 描述：用 task_struct 表示一个进程，记录其状态、资源需求等。

• 组织：将PCB放入 不同的队列 中管理：

  • 就绪队列：等待CPU调度的进程。

  • 阻塞队列：等待特定资源的进程（如磁盘、网卡各自的等待队列）。

(2) 资源与进程的关联

• 每个资源（如磁盘、网卡）维护一个等待队列：

  struct disk_device {
      struct list_head wait_queue;  // 阻塞在该磁盘上的进程链表
      // 磁盘的其他属性...
  };

• 当资源就绪时（如磁盘数据读取完成）：

  1. 从队列中唤醒一个/所有进程。

  2. 将进程PCB移回 就绪队列。

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现实类比

• 场景：你去银行柜台办业务，但柜员正在处理前一个客户。

  • 你（进程）：因“柜员忙”这一资源不可用，主动排队阻塞。

  • 叫号机（OS）：将你的号码（PCB）加入等待队列。

  • 柜员（资源）：完成后叫下一个号（唤醒进程）。

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4. 为什么需要阻塞？

原因	示例	解决方案
资源竞争	多个进程争用同一磁盘	阻塞队列让进程有序等待。
避免忙等待	进程不断轮询“数据到了吗？”浪费CPU	阻塞释放CPU给其他进程。
依赖外部事件	网络包未到达、用户输入未完成	进程休眠直到事件触发。

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5. 阻塞 vs 非阻塞 vs 异步

模式	行为	典型接口
阻塞	进程暂停，直到资源就绪。	read(), write()
非阻塞	立即返回，若资源未就绪则报错。	O_NONBLOCK + read()
异步	进程继续执行，资源就绪后通过回调通知。	aio_read(), epoll

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总结

1. 阻塞的本质：进程因等待资源 主动让出CPU，进入等待队列。

2. 管理方式：

   • 描述：用 task_struct 表示进程。

   • 组织：将PCB放入资源对应的阻塞队列。

3. 设计意义：

   • 避免忙等待，提高CPU利用率。

   • 实现资源的有序共享。

2 挂起（Suspend）详解：进程的“深度冻结”

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挂起的定义

挂起 是指操作系统 主动将进程从内存移到磁盘（交换区），以释放内存资源。与阻塞不同，挂起是 由OS强制触发 的，而非进程主动等待资源。

• 核心特点：

  • 进程的 代码和数据被换出到磁盘，仅保留PCB在内存。

  • 进程状态标记为 TASK_STOPPED 或 TASK_TRACED。

  • 恢复时需重新加载到内存，导致较大延迟。

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挂起 vs 阻塞

特性	挂起（Suspend）	阻塞（Block）
触发方	操作系统（强制）	进程自身（主动）
内存状态	代码和数据被换出到磁盘	代码和数据保留在内存
恢复条件	OS需要内存或手动唤醒	等待的资源就绪（如I/O完成）
延迟	高（需从磁盘 reload）	低（内存中直接恢复）

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挂起的底层原理

1. 为什么需要挂起？

• 内存不足：当物理内存紧张时，OS将不活跃的进程挂起，腾出空间。

• 系统负载均衡：避免过多进程竞争CPU和内存。

• 用户控制：用户可手动挂起进程（如 Ctrl+Z 触发 SIGTSTP 信号）。

2. 挂起的管理流程

1. 选择目标进程：

   • OS根据算法（如LRU）选择不活跃的进程。

2. 换出到磁盘：

   • 将进程的代码、数据、堆栈写入 交换分区（Swap）。

3. 保留PCB：

   • 仅保留 task_struct 在内存，记录进程状态和磁盘位置。

4. 恢复时换入：

   • 重新加载代码和数据到内存，继续执行。

3. 代码示例（手动挂起）

# 在终端挂起进程（Ctrl+Z发送SIGTSTP）
$ sleep 100
^Z  # 按下Ctrl+Z
[1]+  Stopped                 sleep 100

# 查看挂起进程
$ jobs
[1]+  Stopped                 sleep 100

# 恢复挂起进程（前台继续）
$ fg %1

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现实类比

• 阻塞：像在餐厅排队等位（你还在现场，只是暂时不行动）。

• 挂起：像餐厅满员时，服务员让你先去逛街，有空位再叫你（你被“请出”现场）。

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挂起的应用场景

1. 内存优化：

   • 服务器在高负载时挂起低优先级进程。

2. 进程调试：

   • 开发者挂起进程检查状态（如 gdb 调试）。

3. 交互式控制：

   • 用户暂停后台任务（如 vim 中按 Ctrl+Z 切到shell）。

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总结

1. 挂起是OS的“资源调控”手段：通过换出进程缓解内存压力。

2. 与阻塞的关键区别：

   • 阻塞是进程 主动等待，挂起是OS 强制腾挪。

3. 恢复开销大：需从磁盘重新加载，性能敏感场景慎用

3 进程状态与 task_struct 深度解析

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1. task_struct 中的状态管理

Linux 内核用 task_struct 结构体描述进程，其 status 字段（如 volatile long state）标识进程状态。关键状态包括：

状态	符号	含义	是否占用CPU
运行	TASK_RUNNING (R)	进程 在运行队列中，可能正在CPU执行或等待调度。	❌（可能在排队）
可中断睡眠	TASK_INTERRUPTIBLE (S)	进程 阻塞，等待资源（如I/O），可被信号唤醒。	❌
不可中断睡眠	TASK_UNINTERRUPTIBLE (D)	进程 阻塞，等待关键资源（如磁盘写入），不可被信号唤醒。	❌
暂停	TASK_STOPPED (T)	进程被调试器暂停（如 gdb 断点）或收到 SIGSTOP 信号。	❌
僵尸	EXIT_ZOMBIE (Z)	进程已终止，但父进程未回收其资源（PCB残留）。	❌
死亡	EXIT_DEAD (X)	进程最终状态，资源已完全释放。	❌

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关键问题：R 状态 ≠ 正在运行！

• 误解：R 状态常被误认为“正在CPU上执行”。

• 真相：

  • R 状态表示进程 在运行队列中，可能处于两种子状态：

    1. 正在CPU上运行（实际占用CPU）。

    2. 就绪等待调度（在运行队列中排队）。

  • 验证方法：

    top -p   # 查看进程的 `%CPU` 使用率

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2. 为什么创建进程？——关注结果 vs 不关注结果

(1) 需要获取结果

#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 子进程执行任务
        sleep(2);
        return 42;  // 退出码
    } else {
        // 父进程等待并获取结果
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);  // 阻塞等待
        printf("Child exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));  // 输出 42
    }
    return 0;
}

• 用途：父进程通过 wait() 获取子进程退出码（如脚本执行状态码）。

(2) 不关心结果（异步任务）

int main() {
    if (fork() == 0) {
        // 子进程独立执行（如后台服务）
        daemon(0, 0);  // 脱离终端
        while (1) { /* 长期运行 */ }
    }
    return 0;  // 父进程直接退出
}

• 用途：启动守护进程（如Web服务器）、忽略子进程退出状态。

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3. 进程退出码（Exit Code）

• 作用：进程通过退出码向父进程报告执行结果（0 表示成功，非 0 表示错误）。

• 获取方法：

  • Shell 中通过 $? 获取上一条命令的退出码：

    ./a.out
    echo $?  # 输出 main() 的 return 值

  • 父进程通过 wait() 系统调用获取（见上例）。

常见退出码约定

退出码	含义
0	成功
1	通用错误
2	命令行参数错误
127	命令未找到

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现实类比

• R 状态：像在超市收银台排队，你可能正在结账（占用CPU），也可能只是站在队列里（等待调度）。

• 退出码：像员工完成任务后提交的报告编号（0=顺利完工，1=遇到问题）。

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总结

1. R 状态是“就绪”而非“运行”：需结合 %CPU 判断是否实际占用CPU。

2. 创建进程的两种目的：

   • 同步任务：父进程等待结果（如 wait()）。

   • 异步任务：父进程不关心结果（如后台服务）。

3. 退出码是进程的“遗言”：通过 return 或 exit() 传递，父进程/Shell 可捕获