【linux学习】linux下进程状态和环境变量的解析

一、进程状态的本质

进程状态的核心逻辑：进程的不同状态，本质是进程被放在不同的队列中，等待不同的资源

运行队列：

一个 CPU 对应一个运行队列 struct runqueue

进程进入运行队列，本质是将该进程的 task_struct 结构体对象放入队列

R（运行状态）：只要进程的 PCB 在运行队列中，就是 R 状态，不代表进程一定正在 CPU 上运行

等待队列（阻塞队列）：

每个外设（键盘、显示器、网卡、磁盘等）都有自己的等待队列

进程需要等待某个资源时，会从运行队列移出，放入对应外设的等待队列

资源就绪后，进程会被唤醒，重新放回运行队列

挂起状态：

当内存空间不足时，操作系统会将暂时不运行的进程的代码和数据保存到磁盘

释放这部分内存给其他进程使用

进程需要运行时，再将代码和数据从磁盘加载回内存

二、Linux 内核定义的 7 种进程状态

c

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（running）：运行状态，进程在运行队列中

S（sleeping）：可中断睡眠（浅度睡眠），等待事件完成，可被信号唤醒

D（disk sleep）：不可中断睡眠（深度睡眠），等待磁盘 IO 结束，无法被 OS 杀死，只能等待 IO 完成或断电

T（stopped）：停止状态，可通过 SIGSTOP 信号暂停，SIGCONT 信号恢复

t（tracing stop）：追踪停止状态，进程被调试器暂停（如 gdb）

X（dead）：死亡状态，进程已彻底结束，PCB 已被回收，任务列表中不可见

Z（zombie）：僵尸状态，进程已退出，但父进程未回收其 PCB

进程状态的查看

ps aux / ps axj命令

三、僵尸进程与孤儿进程

1. 僵尸进程（Z）

成因：子进程退出后，父进程没有读取子进程的退出返回代码

特点：进程以终止状态保持在进程表中，一直等待父进程读取退出状态

危害：PCB（task_struct）会一直占用内存，造成内存泄漏

解决：父进程调用 wait() 系统调用回收，或父进程退出后由 init 进程回收

编写一个进程查看僵尸进程

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { pid_t id = fork(); if(id < 0){ perror("fork"); return 1; } else if(id > 0){ //parent printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid()); sleep(30); }else{ printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid()); sleep(5); exit(EXIT_SUCCESS); } return 0; }

可以看到都是处在S状态，休眠状态，

最后处在Z状态，属于僵死状态，

子进程 Z+ 状态

Z：僵尸进程状态，进程已经执行完毕退出，但 PCB（进程控制块）还没被父进程回收

+：同样表示前台进程

关键标记 <defunct>：英文意为 “失效的 / 死亡的”，在 Linux 中专门表示僵尸进程

僵尸进程是已经执行完毕退出，但父进程没有调用 wait() / waitpid() 回收其退出状态的子进程。

进程的代码和数据已经被释放，但 PCB（task_struct）仍然留在系统中，等待父进程读取退出码。

尸进程不占用 CPU 和内存数据段，但会永久占用 PCB 结构体（存放在内存中）

如果大量产生僵尸进程，会占用内核进程表资源，导致系统无法创建新进程（PID耗尽）

解决方法

父进程调用 wait() / waitpid() 回收子进程

if(id > 0) {    printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());    wait(NULL); // 阻塞回收子进程，避免僵尸进程    sleep(30); }

父进程退出：父进程结束后，子进程会被 init 进程（PID 1）领养并自动回收

信号处理：父进程通过 SIGCHLD 信号异步回收子进程

2. 孤儿进程

成因：父进程先退出，子进程还在运行

处理：子进程会被 1 号 init 进程 领养，由 init 进程负责回收，无危害

父进程先退出，子进程还在运行，这个子进程就叫孤儿进程。

核心机制

父进程死了

子进程还活着

操作系统会把孤儿进程过继给 1 号进程（init/systemd）

由 1 号进程负责回收子进程，不会产生僵尸

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int main() { pid_t id = fork(); if(id < 0){ perror("fork"); return 1; } else if(id == 0){//child printf("I am child, pid : %d\n", getpid()); sleep(10); }else{//parent printf("I am parent, pid: %d\n", getpid()); sleep(3); exit(0); } return 0; }

父进程已死，子进程还在，称为孤儿进程

孤儿进程会被回收，不会造成内存泄露

四、进程优先级

UID :代表执行者的身份 PID :代表这个进程的代号 PPID：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号 PRI：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行 NI：代表这个进程的nice值

基本概念：CPU 资源分配的先后顺序，优先级高的进程优先执行

PRI 与 NI：

PRI：进程的优先级，值越小，优先级越高

NI（nice 值）：优先级的修正值，范围 -20 ~ 19

计算公式：PRI(new) = PRI(old) + nice

nice 为负值 → PRI 变小 → 优先级提高

需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据

查看与修改：

查看：ps -l 命令，PRI 列和 NI 列

修改：top 命令 → 按 r → 输入进程 PID → 输入 nice 值

本质：优先级本质是 PCB（task_struct）里面的一个整数字段

竞争性:系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级 独立性:多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰 并行:多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行 并发:多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

五、进程切换

CPU 寄存器：

CPU 内部只有一套寄存器硬件，被所有进程共享

寄存器中保存的数据，只属于当前正在运行的进程

上下文保护与恢复：

进程切换时，需要保存当前进程的上下文数据（寄存器中的数据）到 PCB 中

然后恢复下一个进程的上下文数据，从 PCB 加载到 CPU 寄存器

类比：离开学校时保留学籍，回来时恢复学籍，上下文就是进程的 "学籍"

六、环境变量

基本概念：操作系统中用来指定运行环境的一些参数，具有全局特性

常见环境变量：

PATH：指定命令的搜索路径

HOME：指定用户的主工作目录

SHELL：当前使用的 Shell，通常是 /bin/bash

常用命令：

echo $NAME：显示某个环境变量的值

export NAME=value：设置并导出一个新的环境变量

env：显示所有环境变量

unset NAME：清除环境变量

set：显示本地定义的 shell 变量和环境变量

代码获取方式：

main 函数第三个参数：int main(int argc, char *argv[], char *env[])

全局变量：extern char **environ

系统调用：getenv("NAME")、setenv("NAME", "value", 1)

核心特性：环境变量可以被子进程继承；普通变量不使用 export 导出，则无法被子进程继承

查看命令

设置一个新的环境变量

使用set可以发现pwd是咋样的

找到之前设置的环境变量

这时候我们可以将我们写的文件配置成环境变量，就可以不用进行指令执行了

比如：

我们写好一个程序，并且编译完成后，需要指令./进行执行才能完成运行，下面我们将hello文件设置为环境变量，然后可以完成不需要指令就可以运行

下面是执行步骤

export PATH=$PATH:/home/zzy/lesson//后面这里是你当前所在的路径

如何取消：

输入取消

export PATH=$(echo $PATH | sed 's#:/home/zzy/lesson##g')

也可以重置PATH

PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin

解释一下：通过代码如何获取环境变量

int main(int argc, char *argv[], char *env[])

在main 函数中定义了环境变量，当进入时自动调用环境变量

命令行第三个参数：

#include <stdio.h> int main(int argc, char *argv[], char *env[]) { int i = 0; for(; env[i]; i++){ printf("%s\n", env[i]); } return 0; }

通过第三方变量environ获取

#include <stdio.h> int main(int argc, char *argv[]) { extern char **environ; int i = 0; for(; environ[i]; i++){ printf("%s\n", environ[i]); } return 0; }

通过系统调用进行获取和设置环境变量

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { printf("%s\n", getenv("PATH")); return 0; }

环境变量通常是具有全局属性的

环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { char * env = getenv("MYENV"); if(env){ printf("%s\n", env); } return 0; }

直接查看，发现没有结果，说明该环境变量根本不存在

解决：

导出环境变量 export MYENV="hello world"

再次运行程序，发现结果有了！说明：环境变量是可以被子进程继承下去的！想想为什么？

说明：父进程设置的环境变量，被子进程继承了

父进程：当前的 bash 终端进程

子进程：你运行的 ./test 程序进程

解答：环境变量是父进程地址空间的一部分，fork() 创建子进程时会完整复制，因此可以被子进程继承。

如果只进行MYENV＝“helloworld”,不调用export导出，在用我们的程序查看，会有什么结果？为什么？

程序中调用 getenv("MYENV") 会返回 NULL，也就是什么也查不到，不会输出 helloworld。

核心原因是：MYENV="helloworld" 定义的只是 Shell 的「局部变量」，不是环境变量，不会被子进程继承。

不加export，只有shell自己用，不会传给子进程。