进程概念

冯诺依曼体系结构

• 大多数的计算机、服务器等都遵循冯诺依曼体系结构

• 存储器用于快慢设备之间的缓冲作用，提高系统的效率（内存可以预先装载数据）

  • 处理数据时，必须先将数据预装载到内存中（一次性装载多条数据，由操作系统完成）
• 在硬件和数据层面上：CPU只和内存进行交流，外设也只与内存进行交流。
• 寄存器不仅只存在于CPU中，其他的外设中也存在。
• 各硬件之间是用总线进行链接（IO总线、系统总线）
  

操作系统概念

• 操作系统实质上是一款专门搞管理的软件。
• 操作系统包括内核（进程管理、文件管理、驱动管理）和其他程序（库函数、shell程序等）

进程控制块PCB

• PCB：为了便于系统描述和管理进程的运行，内核为每个进程专门创建的一个结构体对象。（一个PCB对应一个进程）
• PCB是进程实体的一部分，用于存储进程所需的所有信息。
• CPU在执行进程时，是找的PCB，再通过PCB去调用程序代码和数据。
• Linux中PCB的结构体是 struct task_struct{ }
• 系统中PCB是采用双链表的形式链接起来的。

• PCB主要存储的信息：

  • 标示符：描述此进程的唯一标示符，用于区分其他进程（PID等）
  • 状态：休眠状态S、运行状态R
  • 如果进程是前台运行时，则会标识为 R+
  • 如果进程是后台运行时，则会标识为 R
  • 优先级
  • 程序计数器（PC指针）：保存程序中即将被执行的下一条指令的地址。
  • 内存指针：程序代码和进程相关的数据指针，和其他进程共享的内存块指针

  • 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据。

    • 例如：当前进程被打断，去执行另一个进程，当另一个进程执行完后要如何回到之前进程被打断的位置呢？上下文数据就是用来保存这类数据。
    • 上下文数据是保存在PCB中的。
  • IO状态信息

查看存储进程信息的文件

• 进程信息可以通过 /proc 系统文件夹查看（文件夹的名称就是该进程的PID）
  

进程状态

进程的5种状态

• 就绪态R ：等待被运行。（等待CPU调度）
• 运行态R ：正在运行。（占用CPU）（运行态包含就绪态，所以运行态可以同时有多个）
• ）僵尸态Z ：父进程还在运行，子进程结束还未被回收时，子进程相关信息任然被保存着。

• 等待态（休眠态）（浅度睡眠 & 深度睡眠）：等待一定条件进入就绪态，等待态下即使给它CPU也无法运行。

  • 浅度睡眠S：等待时可以被唤醒（即使没有等到某个条件，收到信号也可以被唤醒）
  • 深度睡眠D：等待时已经不能被唤醒了，只有等到某个条件才能自动唤醒（收到信号也不能被唤醒），并且该进程不能被杀死，即使是操作系统也不行。
• 停止态T ：进程只是被暂时停止了，还是可以恢复的（不是进程结束了）
• 死亡态X ：进程死亡，这个状态只是一个返回状态，任务列表中是看不到这个状态的。

僵尸进程

• 子进程先于父进程结束。子进程已经结束了，但是父进程还未帮子进程收尸（即父进程没有读取到子进程退出时返回的代码），这一个子进程就被称为僵尸进程。

• 回收僵尸子进程方法一：

  • 父进程可以通过使用wait或waitpid来显示回收子进程，并且获取子进程退出的状态。

• 回收僵尸子进程方法二：

  • 父进程自己结束时，会自动回收子进程的资源。

  孤儿进程

• 父进程先于子进程结束，此时子进程就变成了孤儿进程。
• Linux系统规定：所有的孤儿进程都自动成为一个特殊进程（进程1，也就是init进程）的子进程。

进程优先级

优先级的计算

• Linux中可以使用 ps -la 显示系统进程PID和优先级

• Linux中实际优先级 = PRI + NI （在执行这个算法时，PRI一直都是最初始的优先级）

  • PRI 代表这个进程的优先级，值越小越先执行。
  • NI 代表这个进程的 nice 值（它是优先级的修正值，取值范围 -20 ~ 19，默认为0）
  • 所以调整进程优先级是调整 nice 值。

优先级的更改

• 终端中使用命令 sudo top 进入更改状态
• 进入top后按 r 进入输入状态
• 输入进程PID 然后回车
• 再输入新的 nice 值即可

进程相关性质

• 竞争性：CPU资源很少，而进程较多，所以进程之间是具有竞争性的，为了高效完成任务，合理分配资源，于是有了优先级。
• 独立性：多进程运行是相互独立的，独享各种资源，进程之间互不干扰。
• 并行：多个进程在多个CPU下同时运行。
• 并发：多个进程在同一个CPU下采用进程切换的方式，让多进程在宏观上实现同时运行。

环境变量

• 环境变量实质就是一个系统级别的全局变量。
• PATH：指定命令的默认搜索路径
• 将路径导入PATH环境变量： echo PATH=$PATH： 路径
• HOME：指定用户的主工作目录（即用户登录到Linux时进入的默认目录）

环境变量相关命令

• echo $环境变量 （查询相关环境变量）（echo $? 返回最近一次程序执行后的返回值）
• env （显示所有环境变量）
• unset （删除环境变量）
• set （显示本地定义的 shell 变量和环境变量）（本地变量只在本进程中有效）
• export （导入新的全局的环境变量）

main函数带的参数（argv、argv、envp）

• argc：命令行参数个数
• argv：命令行参数列表
• envp：环境变量
  

进程地址空间

• 注意：进程地址空间不是实际的物理内存，而是映射出的虚拟地址（不同进程的虚拟地址是相同的，但是实际映射的物理内存是不同的地址）
• 每个进程都有自己的进程地址空间和对应的页表（用于表示映射关系）
• 进程地址空间实质是物理内存中的一种内核数据结构（mm_struct）
  

使用进程地址空间的优势

• 避免了野指针的出现（野指针在页表中没有映射）
• 避免系统级别的越界访问，页表只会映射当前进程的物理内存，不会映射到其他地址。
• 统一进程的排布，即所有进程在进程地址空间中排布方式都是相同的，并且空间范围也是相同的。
• 每个进程都相当于独立出来的，更好的实现进程独立及合理使用内存空间。