Linux进程概念（上）

哈喽大家好，我是$鹿九丸$，今天给大家带来的是Linux进程概念（上）。
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冯诺依曼体系结构

输入：键盘、话筒、摄像头、磁盘、网卡…

输出：显示器、音响、磁盘、网卡…

（运算器 + 控制器）[CPU]：

存储器：内存

问：为什么要有内存？

答：技术角度：cpu的运算速度 > 寄存器的速度 > L1~L3 Cache > 内存 >> 外设（磁盘）>> 光盘磁带

从数据角度，外设几乎不和CPU直接进行交互，直接和内存直接交互，CPU也同样如此。

成本角度：寄存器 >> 内存 >> 磁盘（外设）

注意：几乎所有的硬件，只能被动的完成某种功能，不能主动的完成某种功能，一般都是要配合软件完成的（OS + CPU）。

操作系统(Operator System)

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

设计OS的目的

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

定位

• 在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

总结

计算机管理硬件

1. 描述起来，用struct结构体
2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

系统调用和库函数概念

• 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分 由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统 调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

进程

基本概念

• 课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等
• 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

描述进程-PCB

• 进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。
• 课本上称之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是：task_struct

task_struct-PCB的一种

• 在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。
• task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

task_ struct内容分类

• 标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
• 状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。
• 优先级: 相对于其他进程的优先级。
• 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。
• 内存指针: 包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
• 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
• I／O状态信息: 包括显示的I/O请求,分配给进程的I／O设备和被进程使用的文件列表。
• 记账信息: 可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。
• 其他信息

PID

每个进程在系统中，都会存在一个唯一的标识符。这个标识就是PID（process ID）

注意：PID每次开启新进程都会随机分配一个PID。

组织进程

• 可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看（pro的全称是process）

注意：proc是内存文件系统，存放当前系统实时的进程信息。

• 如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

注意：上面这些蓝色的数字就是进程的PID。

• 大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

首先先编辑一个.c代码：

然后运行：

使用ps ajx命令即可查看进程（all job，x是以特定格式进行显示）

使用ps ajx | grep 'mytest'查看与mytest相关的进程：

注意：我们常常使用的ls、pwd、touch、grep、chgrp、chown、mkdir、rm等命令在启动后也都是一个个进程，这些二进制可执行文件在/usr/bin目录下，我们使用下面的指令可以进行查看，ls /usr/bin/*

使用ps ajx | grep 'mytest' | grep -v grep我们可以查看待用mytest关键词同时又不带有grep关键词的进程：

问：如何查看进程信息和进程信息代表的意义？

答：使用ps ajx | head -1可以查看不同列的进程信息代表的意义：

使用ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 'mytest' | grep -v grep

注意：&&是逻辑与，其意义是前面的指令执行成功了，再实行后面的指令。

此时根据PID在proc目录中进行查看：

或者：

使用ls /proc/31745 -al可以查看进程的详细信息：

cwd（current work director）：进程当前的工作路径。

exe后面对应的是可执行程序的磁盘文件。

通过系统调用获取进程标示符

• 进程id（PID）
• 父进程id（PPID）

PID

使用man getpid来查看getpid介绍

使用举例：

运行：

PPID

使用举例：

运行：

问：为什么每次创建进程时，当前进程的PID每次都会改变，但是PPID却没有发生改变？

答：因为几乎我们在命令行上所执行的所有的指令（cmd），都是bash进程的子进程。

杀掉进程

• 在程序运行过程中，使用ctrl + c来杀掉程序。

  使用举例：

  

• 使用kill -9 PID来杀掉进程。

  使用举例：

  

通过系统调用创建进程-fork初识

• 运行 man fork 认识fork

  man 2 fork

  

• fork有两个返回值

  

  代码：

  

  运行结果：

  

  代码：

  

  执行结果：

  

  问：为什么会出现这种情况？

  答：fork之后，父进程和子进程会共享代码，一般都会执行后续的代码，这就是为什么printf会打印两次的问题。

  fork之后，父进程和子进程返回值不同，可以通过不通的返回值，判断，让父子执行不同的代码块。

  问：为什么fork会给父进程返回子进程的PID，给子进程返回0？

  答：因为父进程必须有标识子进程的PID来方便对子进程进行管理，所以fork之后会给父进程返回子进程的PID。

  子进程最重要的是知道自己被创建成功了，因为子进程找父进程成本非常低（getppid()）。

  问：为什么fork函数会返回两次，有两个返回值？

  答：

  注意：for()之前的代码，在子进程中将不会继续执行。

• 父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）

进程状态

Linux内核源代码

下面的状态在kernel源代码里定义：

/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
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 */
};

注意：进程的状态定义在进程的task_struct中。

• R运行状态（running）: 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。 （操作系统中叫执行）

  问：运行态是进程在CPU上运行，还是进程只要在运行队列中叫作运行态？

  答：

  运行态表示当前进程的task_struct在运行队列runqueue中，已经准备好了，可以随时被调度到CPU中进行执行。（参考分时操作系统）

• S睡眠状态（sleeping): 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠 （interruptible sleep））。（操作系统中叫阻塞）

  定义：当进程访问某些资源（磁盘网卡），该资源如果暂时没有准备好，或者正在给其它进程提供服务，此时：1. 当前进程要从runqueue中移除 2. 将当前进程放入对应设备的描述结构体中的等待队列。此时进程就处于阻塞状态。

  注意：处于阻塞状态的进程的代码并没有被执行。

• D磁盘休眠状态（Disk sleep）有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束。 （操作系统中叫阻塞）

  例如下面代码举例：

  struct disk_div
  {
      //磁盘属性
      task_struct *wait_queue;
  }
  

  在等待队列中的进程就处于阻塞状态。

  问：S和D有什么区别吗？

  答：S可以被中断，即可以被操作系统强制回收，但是D只能等待程序自己结束或者醒来，操作系统无法强制回收。

• T停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可 以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。 （操作系统中叫终止态）

  问：这个进程已经被释放，就叫终止态？还是该进程还在，只不过永远不运行了，随时等待被释放？

  答：该进程还在，只不过永远都不运行了，这种状态叫作终止态。为什么这种状态才叫作终止态？因为释放是要花费时间的，有时候操作系统很忙，所以没法立即回收我们的进程以及进程所占用的资源，回收进程和进程占用的资源与修改task_struct的状态位相比，显然前者的开销是要更小一些的。

  问：如何使程序处于暂停状态？

  答：使用kill -19 PID命令就可以使程序处于暂停状态。

  问：如何使程序继续？

  答：使用kill -18 PID命令就可以使程序继续。

• X死亡状态（dead）：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。

运行：R

终止：Z和X

阻塞：S或者D

挂起：S或者T

挂起状态：

进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

使用举例：

process.c文件：

运行之后查看进程状态：

问：此时进程的状态是S，说明程序处于休眠状态或者阻塞状态，为什么此时的程序处于休眠状态而不是运行状态？

答：因为CPU执行的速度很快，大部分时间，进程在等待外设即输出设备，所以大部分时间是阻塞状态

对源程序进行下面的改变，进程的状态就会发生改变：

注意：在上图中的就绪和执行状态在操作系统中都对应的是R状态。

Z(zombie)-僵尸进程

• 僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程（使用wait()系统调用,后面讲） 没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程
• 僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。
• 所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态

模拟僵尸进程：

代码：

问：长时间的保持僵尸状态会出现什么问题？

答：如果没有人回收僵尸子进程，该状态会一直维护，并且该进程的相关资源（task_struct）也不会被释放，进而出现内存泄漏问题。

孤儿进程

• 父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？
• 父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”
• 孤儿进程被1号init进程领养，当然要有init进程回收喽。

process.c代码：

执行结果：

最终只剩下一个子进程。

问：S+和S状态有什么区别？

答：S+是前台进程，可以通过ctrl + c退出，但是S状态不可以。当父进程尚未退出时，两个进程的状态都是S+ 状态，但是当父进程退出后，子进程变成了S状态。

问：父进程退出的时候为什么是S状态而不是Z状态？

答：因为父进程的父进程是bash，父进程被bash回收了。

问：父进程退出的时候，子进程为什么没有被回收？

答：因为在我们的代码中，我们没有写父进程回收子进程的的代码，所以子进程没有被回收。

问：父进程被回收后，为什么子进程的父进程发生了改变？

答：如果此时的父进程没有发生改变的话，就没有父进程来对子进程进行管理了。所以如果父进程提前退出，子进程还在，子进程就会被1号进程领养。此时的子进程就是孤儿进程。

问：如何退出此时的孤儿进程？

答：当父进程退出后，子进程的状态变成了S状态，此时我们发现子进程无法通过ctrl + C退出，此时我们只能通过kill -9 PID使进程退出。

问：什么是1号进程？

答：1号进程就是操作系统。

T和t状态

T是常规的暂停，t是进程被调试的时候遇到断点时所处的状态。

进程优先级

基本概念

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。
• 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。
• 还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整 体性能。

查看系统进程

在linux或者unix系统中，用ps –l命令则会类似输出以下几个内容：

• 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（priority）
• NI ：代表这个进程的nice值（nice）

PRI and NI

• PRI即进程的优先级，就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小，进程的优先级别越高
• NI表示进程可被执行的优先级的修正数值
• PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice（注意：每次设置，此处都默认PRI都是80）
• 这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行
• 所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值 nice其取值范围是-20至19，一共40个级别（[60 , 99]）。

PRI vs NI

注意：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。 可以理解为：nice值是进程优先级的修正修正数据

查看进程优先级的命令

用top命令更改已存在进程的nice

• top（注意：如果我们想要修改后续的优先级，我们就需要用sudo指令暂时提高top的权限）

  

• 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

  

  

  此时查看优先级：

  

  PID为9782的进程优先级发生了改变（82 + (- 20) = 60）

其它概念

• 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

问：Linux内部是如何实现的？

答：不同优先级会形成不同的队列，不同优先级的进程会放入相应优先级所对应的队列中。