一文搞懂Linux进程的睡眠和唤醒

只看该作者 · 2024-11-4 15:15

一、常见的进程状态与理解

在操作系统内部，有专门用来管理进程的结构体，叫做struct task_struct，也称作进程控制块（PCB），主要包含描述进程的相关信息，如进程用户、进程状态、进程优先级、文件描述符（记录当前进程打开的文件）、主要进程标识的进程号和父进程号：

进程号（PID: Process Identity Number）：唯一的标识一个进程，用于区分系统中的各个进程并方便操作系统进行管理；

父进程号：（PPID:Parent Process ID）：用于描述一个进程的直接父进程的标识符，每个进程在创建时都会由一个已有的进程（即父进程）生成，这样就形成了进程的层级结构。通过PPID，可以追踪进程的来源，并了解进程之间的关系。

在PCB中记录的进程状态，不过是一些整数，这个整数是多少就代表进程此时处于什么状态。在CPU执行进程时，通过找到进程的PCB，从而找到进程的代码和数据，进而去执行这个进程。下面列举了一些进程状态：

注意：没有+时，默认是后台进程

进程调度（进程状态切换）

进程创建后，进程进入就绪态，当CPU调度到此进程时进入运行态，当时间片用完时，此进程会进入就绪态，如果此进程正在执行一些IO操作(阻塞操作)会进入阻塞态，完成IO操作（阻塞结束）后又可进入就绪态，等待CPU的调度，当进程运行结束即进入结束态。

一、睡眠机制与唤醒机制

睡眠机制：

1）主动睡眠（Blocking Sleep）: 进程自愿进入睡眠状态，通常是通过系统调用如sleep()、wait()等。

2）被动睡眠（Interruptible Sleep）: 进程在等待某个条件满足（如I/O操作），可以被信号唤醒。

Linux通过内核提供的系统调用来控制进程的睡眠。常用的系统调用有：

sleep(): 使进程暂停指定的秒数。

usleep(): 使进程暂停指定的微秒数。

nanosleep(): 使进程暂停指定的纳秒数。

Tips：睡眠机制帮助节省CPU资源，尤其是在I/O密集型任务中；在可中断睡眠状态下，进程在收到信号时会被唤醒并处理信号。

唤醒机制

1）信号（Signal）: 进程可以通过接受特定信号被唤醒。

2）条件变量（Condition Variable）: 多线程编程中用于同步多个线程的工具，可以让一个线程在某些条件下睡眠并等待被唤醒。

Tips：唤醒机制可以通过信号、I/O事件和线程同步原语（如条件变量）来有效管理进程和线程的状态，更好地利用系统资源，提高程序的响应性与性能。

一、用法实例

1.进程睡眠示例：

使用 sleep() 函数让进程暂停执行一段时间

使用 usleep() 函数，使进程睡眠0.5秒，精确度更高

使用 nanosleep()，使进程睡眠1.5秒，可以精细控制时间

2.进程唤醒实例：

使用信号唤醒进程，进程直到接收到 SIGUSR1 信号被唤醒。

使用 select() 函数等待I/O，如果在5秒内没有输入，select() 会返回，以便进程被唤醒。若有输入，则进程也会被唤醒。

使用条件变量唤醒线程，子线程在条件变量上等待，直到主线程调用 pthread_cond_signal() 唤醒它。主线程在等待2秒后，设置条件并唤醒子线程。（已经描述到这里，线程一并提及一下）