Linux知识点 -- 进程概念（一）

Linux知识点 – 进程概念（一）

---

一、冯·诺伊曼体系结构

我们使用的计算机大部分都遵守冯·诺伊曼体系结构：

• 存储器：内存；
• 输入设备：键盘、摄像头、磁盘、网卡等；
• 输出设备：显示器、音响、磁盘、网卡等；
• 运算器：执行算术运算、逻辑运算；
• 控制器：协调外部就绪事件；
• CPU是运算器 + 控制器；

为什么CPU不直接和外设进行数据交互，而需要通过存储器呢？

• 第一：从存取速度方面来说：
  CPU&&寄存器 > 内存 > 磁盘 > 光盘；
  让cpu直接和内存打交道，而不是和外设打交道，因为外设的存取速度很慢，会拖慢整机的响应速度；

• 第二：不用内存代替磁盘是为了控制成本；

• CPU读取数据（数据 + 代码）都要从内存中读取，站在数据的角度，我们认为CPU不和外设直接交互；

• CPU要处理数据，需要先将外设中的数据加载到内存，站在数据的角度，外设直接和内存交互；

二、操作系统（OS）

1.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，包括：

• 内核：进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理；
• 其他程序：如库函数、shell程序等；
  

2.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）提供一个良好的运行环境；

3.如何理解管理

• 管理，是对被管理者数据的管理；
• 拿学校来进行类比，校长是管理者，学生是被管理者，两者之间没有直接的交互，通过辅导员拿到学生的数据，由校长对学生的数据进行管理；
• 拿到被管理者的核心数据，来进行支持管理决策；
• 管理：先描述，再组织；
• 先对被管理对象进行描述，再根据描述类型，定义对象，可以把对象组织成数组；之后，对学生的管理工作，变成了对数组的增删查改；

再拿银行类比操作系统：

• CPU通过驱动程序来管理各种硬件，同时提供驱动接口供用户使用系统功能，各种语言、库、组件封装系统接口，shell外壳程序和图形化界面简化用户操作；

总结
计算机管理硬件：

• 描述起来，用struct结构体；
• 组织起来，用链表等数据结构；

4.系统调用和库函数的概念

• 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，对用户的要求也相对比较高，所以，开发者会对系统的部分调用进行适度封装，从而形成库；

三、进程概念

1.理解进程

• 我们自己在计算机上启动一个软件，其实就是启动了一个进程；在Linux系统下，运行我们写的可执行程序，./XXX，运行的时候，其实就是在系统层面创建了一个进程；
• Linux是可以同时加载多个程序的，可能同时存在大量的进程在操作系统中；
• Linux管理大量进程的方法：先描述，再组织；

2.描述进程

• 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，称为PCB；
• Linux操作系统下的PCB是：task_struct，它会被装载到内存中并包含着进程的信息；
• 内存中可能还有大量进程的PCB，按照一定数据结构（如链表）进行排列，再由CPU进行读取，PCB中包含了进程需要运行的代码和数据的地址；
• CPU对进程的管理，就变成了对进程PCB结构体链表的增删查改；
• 进程 = 对应的代码和数据 + 进程对应的PCB结构体

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，推出信号等；
• 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；
• 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：可能包括处理器的时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记帐号等；

3.查看进程

先写一个死循环的可执行程序：

该程序运行时就是一个常驻的进程；

• ps指令
  ps：仅显示自己的进程
  
  可以看到，当前自己执行的进程中bash和ps；
  ps axj：显示系统中所有的进程
  
  在所有进程中寻找myproc进程：
  
  注：PID是该进程的ID；
  PPID是该进程的父进程的PID；

• top指令
  top相当于资源管理器
  

• 在文件系统下查看进程
  ls /proc：查看进程目录，将当前运行的所有进程以文件系统的形式展示出来
  
  通过PID寻找进程：
  
  进入了进程工作目录；
  
  其中cwd是当前进程的工作目录，每个进程都有一个属性，来保存自己所在的工作路径；
  exe是可执行程序所在的路径；

4.进程PID

每个进程都会都自己的PID；

• getpid函数：在代码中获取当前进程的PID
  
  
  
  与ps指令查出来的PID一致：
  

• kill -9 PID：杀掉该PID的进程的指令
  

• getppid函数：在代码中获取当前进程的父进程的PID
  
  

5.父子进程

• 父进程
  
  上图中可以看到PID为15162的进程的父进程PID为29617，而29617进程命令名为bash；
  bash就是shell命令行，命令行上所有命令都是作为bash的子进程来运行的，每一次登录都会有不同的bash进程；

• 子进程
  fork函数：在代码中创建子进程；
  
  fork函数有两个返回值：
  （1）失败：返回-1；
  （2）成功：给父进程返回子进程的PID，给子进程返回0；
  
  上图代码用fork创建了子进程，运行结果如下：
  
  fork函数后面的代码执行了两次，再加上打印PID：
  
  执行结果：
  
  PID也打印了不同的两个，而且下面的进程是上面进程的子进程，从返回值可以看出，父进程返回值为子进程PID，子进程返回值为0；

• fork的基本用法
  fork之后，代码是父子共享的；
  fork的基本用法是进程分流，让父子进程执行不同的代码；
  
  每隔1s监视系统中指定的进程的脚本：
  
  执行结果：
  
  一份代码有两个while（1）同时执行，这是因为fork之后有两个不同的执行流；
  使用if判断语句将父子进程分流，id的值在父进程里面是子进程的PID，在子进程里面是0；
  虽然父子进程共享fork之后的代码，但是经过分流后，执行的不一样；
  fork的返回值id给父进程返回的是子进程的PID，给子进程返回的是0；

• fork函数为什么会有两个返回值
  在fork函数的逻辑中，在创建完子进程的代码逻辑完成后，在return之前，已经出现了父进程和子进程开始执行的逻辑；
  此时，如果父进程被调度了，那么就return子进程的pid，如果子进程被调度，就return 0，return语句被父子进程都执行了，因此会有两种返回值；

注：
（1）操作系统和CPU运行某一个进程，本质是从task_struct形成的队列中挑选一个task_struct，来执行它的代码；
进程调度，变成了在task_struct队列中选择一个进程的过程；
（2）父子进程被创建出来，哪一个进程先运行是由操作系统的调度器决定的；

四、进程状态

1.系统层面的进程状态

• 新建：新建一个进程；
• 运行:task_struct结构体在运行队列中排队，就叫做运行态；
• 阻塞:等待非CPU资源就绪；
  系统中一定是存在各种资源（不仅是CPU）的，网卡、磁盘、显卡等设备，这些设备也会存在进程使用时排队，这种队列就叫做阻塞队列；
  比如scanf函数，如果键盘不输入内容，那么该进程就一直处于阻塞状态；
• 挂起:当内存不足的时候，操作系统通过适当的置换进程的代码和数据到磁盘，进程的状态就叫做挂起；
  如果内存不足，当前进程长时间不执行，该进程的代码和数据就会被操作系统换出到磁盘，磁盘有专门的swap分区，用于置换挂起进程的代码和数据；

进程状态演示：
代码中调用了printf：

查看进程状态：

进程状态为S；
无printf时，查看进程状态：

进程状态为R；
这是因为cpu的处理速度很快，在进程队列中处理时间很短，有printf表明程序需要调用外设，需要的等待时间较长，所以进程大部分时间都在阻塞队列里；

状态后面带 + ，表明进程为前台进程：进程一启动，bash命令行就不能执行命令了，且可以被键盘CTRL + C终止；

运行可执行程序时后面加&可以让进程变为后台进程，会返回该进程的PID；

./test &

该程序执行时会打印，当我们以后台进程方式运行：

返回该进程的PID，查看进程状态：

该进程状态变为了S，且无法使用CTRL + c停止进程，必须使用kill -9 PID的方式才能停止：

2.Linux系统中的进程状态

• R运行状态：表明进程要么在运行中要么在运行队列中；

• S睡眠状态：对应着上面的阻塞状态，意味着进程在等待事件完成，可中断睡眠，就是可以将进程强制唤醒，也可以被操作系统杀掉；

• D磁盘休眠状态：不可中断睡眠，在这个状态的进程通常会等待IO的结束，不可中断就是在执行进程时，需要等待磁盘读写，此时不可被操作系统中断进程，只能让进程自动醒来；

• T停止状态：可以通过发送SIGSTOP信号给进程来停止进程，这个被暂停的进程可以通过发送SIGCONT信号让进程继续运行，暂停只是把代码停住了，并不代表在等待资源，调试打断点就是暂停状态；

• X死亡状态：表明该进程可被回收，只是一个返回状态，不会在任务列表里看到这个状态

• Z僵尸状态：一个进程已经退出，但是还不允许被操作系统释放，处于一个被检测的状态，进程维持该状态是为了让父进程和操作系统来进行回收；
  僵尸进程演示：
  让子进程运行三秒后退出，父进程一直运行；
  
  
  我们可以看到子进程在退出后就就变为了Z状态，进程已退出，但是无法被父进程回收，还在一直被检测；
  僵尸进程会导致内存泄漏！

• 注：当服务器压力过大时，操作系统会通过一定的手段，杀掉一些进程，来起到节省空间的作用；

3.孤儿进程

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，也由它回收；

• 孤儿进程演示：
  
  运行结果：
  
  可以看到父进程在5s之后就先退出了，子进程还在，变成了孤儿进程；
  孤儿进程会被1号进程领养（1号进程是init，系统本身）；
  
  在执行kill -9 17704指令后，孤儿进程就被杀掉了，因为杀掉后该进程就立马变成了Z状态，操作系统立马识别到该进程，然后回收；