Linux第八章之进程概念
一、冯诺依曼体系结构
关于冯诺依曼，必须强调几点：
- 这里的存储器指的是内存
- 不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)
- 外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
- 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。
对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢？
二、操作系统(Operator System)
2.1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(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）
2.2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）提供一个良好的执行环境
2.3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
2.4如何理解 "管理"
- 管理的例子
- 描述被管理对象
- 组织被管理对象
2.5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
三、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。
四、进程
4.1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。
4.2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
4.3 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。
4.4 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
4.5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。
4.6查看进程
进程的信息可以通过/proc 系统文件夹查看
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
#include
#include
#include
int main()
{
while(1){
sleep(1);
}
return 0;
} 
4.7通过系统调用获取进程标示符
- 进程id（PID）
- 父进程id（PPID）
#include
#include
#include
int main()
{
printf("pid: %d\n", getpid());
printf("ppid: %d\n", getppid());
return 0;
} 4.8通过系统调用创建进程-fork初识
- 运行man fork 认识fork
- fork有两个返回值
- 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）
#include
#include
#include
int main()
{
int ret = fork();
printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
sleep(1);
return 0;
} fork 之后通常要用if 进行分流
#include
#include
#include
int main()
{
int ret = fork();
if(ret < 0){
perror("fork");
return 1;
}
else if(ret == 0){ //child
printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}else{ //father
printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}
sleep(1);
return 0;
} 五、进程状态
5.1看看Linux内核源代码怎么说
为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。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 */
};- 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（interruptible sleep））
- 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。
5.2进程状态查看
ps aux / ps axj 命令
5.3 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
来一个创建维持30秒的僵死进程例子：
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id < 0) {
perror("fork");
return 1;
}
else if (id > 0) { //parent
printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
sleep(30);
}
else {
printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return 0;
} 编译并在另一个终端下启动监控
开始测试
看到结果
5.4僵尸进程危害
- 进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态？是的！
- 维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护？是的！
- 那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！内存泄漏?是的！
5.5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。
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id < 0) {
perror("fork");
return 1;
}
else if (id == 0) {//child
printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
sleep(10);
}
else {//parent
printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
sleep(3);
exit(0);
}
return 0;
} 
六、进程优先级
6.1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。
6.2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
NI ：代表这个进程的nice值
6.3PRI and NI
- PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，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
- 那NI呢?就是我们所要说的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，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice
- 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。
6.4PRI vs NI
- 需要强调一点的是，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nice值是进程优先级的修正修正数据
6.5查看进程优先级的命令
6.5.1用top命令更改已存在进程的nice：
- top
- 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值
6.6其他概念
- 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
七、环境变量
7.1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
7.2常见环境变量
- 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。
7.3查看环境变量方法
echo $NAME //NAME:你的环境变量名称7.4测试PATH
1. 创建hello.c文件
#include
int main()
{
printf("hello world!\n");
return 0;
} 2. 对比./hello执行和之间hello执行
3. 为什么有些指令可以直接执行，不需要带路径，而我们的二进制程序需要带路径才能执行？
4. 将我们的程序所在路径加入环境变量PATH当中, export PATH=$PATH:hello程序所在路径
5. 对比测试
6. 还有什么方法可以不用带路径，直接就可以运行呢？
7.5测试HOME
1. 用root和普通用户，分别执行echo $HOME ,对比差异
. 执行cd ~; pwd ,对应~ 和 HOME 的关系
7.6和环境变量相关的命令
1. echo: 显示某个环境变量值
2. export: 设置一个新的环境变量
3. env: 显示所有环境变量
4. unset: 清除环境变量
5. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量
7.7环境变量的组织方式
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
7.8通过代码如何获取环境变量
- 命令行第三个参数
#include
int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{
int i = 0;
for (; env[i]; i++) {
printf("%s\n", env[i]);
}
return 0;
} - 通过第三方变量environ获取
#include
int main(int argc, char* argv[])
{
extern char** environ;
int i = 0;
for (; environ[i]; i++) {
printf("%s\n", environ[i]);
}
return 0;
} libc中定义的全局变量environ指向环境变量表,environ没有包含在任何头文件中,所以在使用时 要用extern声明。
7.9通过系统调用获取或设置环境变量
- putenv
- getenv
#include
#include
int main()
{
printf("%s\n", getenv("PATH"));
return 0;
} 常用getenv和putenv函数来访问特定的环境变量。
7.10环境变量通常是具有全局属性的
环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去
#include
#include
int main()
{
char* env = getenv("MYENV");
if (env) {
printf("%s\n", env);
}
return 0;
} - 导出环境变量：export MYENV="hello world"
- 再次运行程序，发现结果有了！说明：环境变量是可以被子进程继承下去的！想想为什么？
八、程序地址空间
8.1研究背景
- kernel 2.6.32
- 32位平台
8.2程序地址空间回顾
#include
#include
#include
int g_val = 0;
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id < 0) {
perror("fork");
return 0;
}
else if (id == 0) { //childprintf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
}
else { //parent
printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
}
sleep(1);
return 0;
} 输出
//与环境相关，观察现象即可
parent[2995]: 0 : 0x80497d8
child[2996]: 0 : 0x80497d8我们发现，输出出来的变量值和地址是一模一样的，很好理解呀，因为子进程按照父进程为模版，父子并没有对变量进行进行任何修改。可是将代码稍加改动:
#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;
}
输出结果：
//与环境相关，观察现象即可
child[3046]: 100 : 0x80497e8
parent[3045]: 0 : 0x80497e8我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！能得出如下结论:
- 变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量，但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
- 在Linux地址下，这种地址叫做虚拟地址。我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理
- OS必须负责将虚拟地址转化成物理地址。
九、进程地址空间
所以之前说‘程序的地址空间’是不准确的，准确的应该说成进程地址空间，那该如何理解呢？看图：
分页&虚拟地址空间
同一个变量，地址相同，其实是虚拟地址相同，内容不同其实是被映射到了不同的物理地址！
十、Linux2.6内核进程调度队列
10.1一个CPU拥有一个runqueue
如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题
10.2优先级
- 普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！）
- 实时优先级：0～99（不关心）
10.3活动队列
时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列
nr_active: 总共有多少个运行状态的进程
queue[140]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下标就是优先级！
从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？
1. 从0下表开始遍历queue[140]
2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
4. 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！
bitmap[5]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率！
10.4过期队列
- 过期队列和活动队列结构一模一样
- 过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程
- 当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算
10.5active指针和expired指针
- active指针永远指向活动队列
- expired指针永远指向过期队列
- 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。
- 没关系，在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程！
总结：
在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增加，我们称之为进程调度O(1)算法！