【Linux】总结2-进程篇1

冯·诺伊曼结构

• 冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成：输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备，这套理论被称为冯诺依曼体系结构

• 输入输出设备统称IO设备：负责数据和程序的输入输出
• 存储器：存储程序和数据，指内存，所有的数据都是采用二进制进行存储，运算产生的数据都是存储在内存当中
• 中央处理器：由运算器和控制器组成，运算器负责数据按照程序的处理办法进行计算，控制器控制程序的逻辑，一个CPU在同一时刻只能计算一份数据

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 = 操作系统内核 + 一堆应用，操作系统内核：也是代码程序，这些代码完成进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理等，一堆应用是指依附在操作系统内核上完成某些功能，比如微信等应用
• 操作系统管理计算机的软硬件资源，硬件资源包括：CPU、内存、硬盘、网卡、显示器等等；软件资源包括：进程资源、驱动程序等
• 操作系统通过管理来完成对计算机软硬件资源的管理，管理 = 描述(结构体) + 组织(串连起结构体)，从代码的角度理解，描述就是结构体，组织是通过链表的方式完成的
• 操作系统提供的函数，被称为系统调用函数，这些函数在库函数中被调用

什么是程序？什么是进程？

• 程序：源代码经过编译产生的可执行文件，这个文件是静态的
• 进程：程序运行起来的实例，是动态在运行的；进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位

操作系统是如何来管理进程的？

• 进程的管理 = 描述(PCB) + 组织的方式(链表)
• PCB是进程控制块：在操作系统中，用PCB来描述进程的基本情况以及运行变化的过程，PCB是进程存在的唯一标识，这意味着一个进程的存在，必然会有一个PCB，如果进程消失了，那么PCB也会随之消息；不同的PCB通过链表组织起来

PCB（struct task_struct{…}）

• 机器中的进程数量远大于CPU数量，而且一个进程想要向后执行自己的代码，必须拥有CPU进行计算（执行代码），那进程是如何获得CPU资源的呢？操作系统调度进程获取资源，它有自己的调度策略：先来先服务、短作业优先、长作业优先、高优先级优先、时间片轮转

• 从CPU的角度来理解，进程的状态可以分为三种：就绪/运行/阻塞

• • 运行：进程占用CPU，并在CPU上运行，即进程正在使用CPU来执行自己的代码
  • 就绪：进程已经具备了运行的条件，但还没有被分配CPU，可以理解为进程已经将运行前的准备工作全部做好了，万事俱备，只欠被操作系统调用，占用CPU资源了
  • 阻塞：进程因等待某件事的发生而暂时不能运行（就绪），例如：等待IO输入、调用某些阻塞接口

• 状态间转换

  

• 进程是抢占式执行，在计算机中，进程多的情况是常态，操作系统在调度的时候要做到雨露均沾，让每一个进程都能运行上，但是操作系统在调度的时候，是从就绪队列当中获取进程，进行运行，也就是说，哪个进程准备好了，就绪了，原则上就可以调度谁，所以进程为了自己可以被执行，都是抢占式执行，不会互相谦让。这种狼多肉少的状态，也是进程有不同状态的原因之一

  并发：多个进程在一个CPU下，采用进程切换的方式，各自独占CPU运行各自的代码，交替运行，让多个进程都得以被推进，称为并发（多个岔路要汇合到主路，各车道交替进入）

  并行：多个进程在多个CPU下，同时运行各自的代码，称为并行（车道足够，各进程跑在各自的车道上）

  在一个多核CPU的机器当中，并发和并行是同时存在的

• 细分的进程状态

• • R：运行状态，处于R状态 ，有可能在执行代码，有可能在就绪队列中等待
  • S：可中断睡眠状态，进程正在睡眠（被阻塞），等待资源到来被唤醒，也可以通过其他进程信号或时钟中断唤醒，进入运行队列
  • D：不可中断睡眠状态，通常等待一个IO结束
  • T：暂停状态(ctrl+z)，ctrl+z暂停一个进程 ；ctrl+c可终止一个进程
  • t：跟踪状态，调试程序的时候可以看到
  • X：死亡状态，我们用户看不到，在PCB被内核释放的时候，进程会被置为X，紧接着进程就退出了
  • Z：僵尸进程

• 程序计数器：保存程序下一条执行的指令

• 上下文信息：保存寄存器当中的内容。在多进程的系统当中，操作系统调度进程，获取CPU之后，进行现场恢复，继续执行后面的代码

• 上下文切换：Linux是多任务的操作系统，它的进程数远大于CPU数，它能支持远大于CPU数量的任务同时运行，但实际上同一时刻只会有CPU数量的进程在运行，等CPU时间片到了之后，进程调度器就会把CPU资源分配给其他进程，在这个过程就涉及到了进程之间的切换，这时候就需要把当前进程的上下文信息保存下来，随后加载被调度进程的上下文信息，这就是上下文切换。

  上下文信息既包括虚拟内存、栈、全局变量等用户态的资源，也包括内核堆栈、寄存器等内核态的资源，不同类型的上下文切换，会涉及到不同类型资源的切换，例如：同一进程不同线程的切换，只需要切换内核态的资源，而不需要切换用户态的资源

  上下文切换的类型：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换

• PCB是描述一个进程的数据块，在内核中对应struct task_struct{…}中的代码，我们列举一小部分其中的内容：进程标识符（进程号）、进程状态、程序计数器、上下文指针、内存指针、记账信息(使用CPU时长，占用内存大小)、IO信息(保存进程打开文件的信息)