第四章：Linux进程概念

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前言

进程是操作系统分配资源的最小单位，linux系统上的进程是如何表示和操作的呢？

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一、冯诺依曼体系结构

大部分的计算机硬件体系都是冯诺依曼体系。

• 输入、输出设备：统称外设，有键盘、话筒、摄像头、网卡、磁盘等
• 存储器：这里就是指内存
• 中央处理器：运算器和控制器

1、内存的意义

所有设备都只能直接和内存打交道。
这样做的好处是将需要等待的数据存储到内存中，读取数据就是内存的速度，提升了计算机整体的运行速度。

2、数据流

即使是些简单操作，都用到每一部分。
QQ中传递文件：输入：磁盘、输出：网卡 、输入：网卡、输出：磁盘
QQ中聊天：输入：键盘、输出：网卡 、输入：网卡、输出：显示器

二、操作系统

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)。

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）

1、操作系统的目的

• 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
  

1. 硬件部分遵守冯诺依曼体系

2. OS不信任任何用户，任何对系统硬件或者软件访问，都必须通过OS的手

3. 计算机体系是一个层状结构，任何访问硬件或者软件的行为，都必须通过OS接口，贯穿OS进行访问

4. 库函数：语言或者第三方库（第一方：系统的、第二方：自己的，其余是第三方的）给我们提供的接口

5. 系统调用：OS提供的接口

总结：

• 计算机管理硬件：描述起来，用struct结构体组织起来，用链表或其他高效的数据结构
• 操作系统是进行软硬件资源管理的软件（其中管理的本质是先描述在组织（是对数据的管理）
• 管理分为三种：管理者、执行者、被管理者（eg管理者为OS、执行者为驱动程序、被管理者为底层硬件）

三、进程

1、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。
操作系统：内核关于进程的数据结构(PCB) + 当前进程的代码和数据

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。称之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是: task_struct 。task_struct是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
• 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

2、查看进程

ps axj
//查看进程
ps axj | head -1 && ps axj | grep "test"
//带标题栏和过滤带有“test"的进程
top
//查看进程占资源情况
ls /proc
ls /porc/xxx -al
//这些目录保存了当前系统中运行的所有进程的信息

3、通过系统调用创建进程-fork

1、创建子进程

• fork有两个返回值的原因是在创建子进程成功之后，子进程和父进程共享代码
• fork：子进程的返回值是0，父进程返回值是子进程的pid，因为子进程只有一个父进程，而父进程有多个子进程，需要对每个子进程进行标识（pid），并且记住他们
• 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）

四、进程状态

1、linux内核源码

/*
* 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 */
};

• 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。
• 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
• 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。
• 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。
• 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。
• Z(zombie)-僵尸进程：

2、僵尸进程

1. 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）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。
2. 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。
3. 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。

3、孤儿进程

父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”

五、进程优先级

进程的优先级：

• 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

• 优先级是在一定能得到某种资源，只是先后的问题
• 权限是决定你能还是不能得到某种资源
• 优先级是得到某种资源（CPU）的先后顺序，其本质是因为资源有限（CPU

1、查看进程优先级

• 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

1. Linux的优先级由pri和nice值共同确定（优先级的数值越小，优先级越高；优先级的数值越大，优先级越低）
2. nice值就是优先级的修正数据，范围是[-20,19]
3. 优先级不可能一味的高，也不可能一味的低（操作系统的调度器要适度地考虑平衡问题，避免“饥饿问题”）

2、设置进程优先级

• PRI是进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小
  进程的优先级别越高
• NI就是nice值了，其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，PRI(new)=PRI(old)+nice
• 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
• 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。
• 进程的nice值不是进程的优先级，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
• nice值是进程优先级的修正修正数据
  
• 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

六、环境变量与命令行参数

1、基本概念

环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数。如：我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。
环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性

• PATH : 指定命令的搜索路径
• HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)
• SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。
• 查看环境变量方法：echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

2、查看环境变量

3、环境变量通常是具有全局属性的

命令行中一般有两个变量：本地变量、环境变量
本地变量：只能够在当前shell命令行解释器内被访问，不可以被子进程继承
环境变量：具有”全局属性“ 可以被子进程继承

• echo: 显示某个环境变量值
• export: 设置一个新的环境变量
• env: 显示所有环境变量
• unset: 清除环境变量
• set: 显示本地定义的shell变量和环境变量

4、命令行参数

• 命令行参数可以帮助我们设计出，在同一个程序中可以设计出不同的业务功能
• argv指针数组，其中最后一个元素指向的是NULL

5、环境变量的组织方式及通过代码如何获取环境变量

每个程序都会收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以’\0’结尾的环境字符串

此外还可以用这种方式

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

七、进程地址空间

1、进程地址空间的分布

• 进程地址空间不是内存地址空间
• 进程地址空间，会在进程的整个生命周期内一直存在，直到进程退出

2、什么是进程地址空间

#include 
#include 
#include 
int g_val = 0;
int main()
{
	pid_t id = fork();
 	if(id < 0)
 	{
		perror("fork");
 		return 0;
 	}
 	else if(id == 0)
 	{ 
 		//child,子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取
 		g_val=100;
 		printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
 	}
 	else
 	{ 
 		//parent
 		sleep(3);
		printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
 	}
 	sleep(1);
 	return 0;
}

child[3046]: 100 : 0x80497e8
parent[3045]: 0 : 0x80497e8

父子进程中的g_val的地址竟然是一样的

• 任何的编程语言里面的地址，绝对不是物理地址，而是虚拟地址（C++/C语言中的&得到的是虚拟地址不是物理地址）
• 虚拟地址是操作系统提供的，数据和代码一定在物理内存上（冯诺依曼规定），因此需要将虚拟内存转化成物理内存（由OS自动完成）
• 父子进程代码共享，而数据是各自私有一份的（写时拷贝）
• 当所有程序运行起来之后，该程序立即变成进程

地址空间本质是进程看待内存的方式，是抽象出来的一个概念，内核struct mm_struct，这样的每一个进程，都认为自己独占系统内存资源
区域划分本质：将线性地址空间划分成为一个一个的area，[start,end]
虚拟地址本质：在[start,end] 之间的各个地址叫做虚拟地址

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总结

进程管理是操作系统的重要作用之一。
强烈的信仰会赢取坚强的人，然后又使他们更坚强。——华特贝基霍