Linux之进程
目录
一、冯诺依曼体系结构
二、进程
1、关于进程
关于PCB结构体
2、查看进程
①ps
②/proc
3、getpid
4、getppid
5、fork()
fork基本用法
6、进程状态
7、孤儿进程
8、进程优先级
修改nice值：top
9、进程的几个特性
一、冯诺依曼体系结构
冯诺依曼体系结构如下图所示：
而上面的输入设备，输出设备，存储器，运算器，控制器又是什么呢？
存储器：内存
输入设备：键盘，摄像头，话筒，磁盘，网卡...
输出设备：显示器，音响，磁盘，网卡...
CPU(中央处理器)：包括运算器、控制器
运算器：算术运算，逻辑运算
控制器：CPU是可以响应外部事件的，协调外部就绪事件
首先说说运行速度：
CPU&&寄存器 > 内存 > 磁盘/SSD（固态硬盘） > 光盘 > 磁带
那既然CPU运行速度是最快的，为什么冯诺依曼体系结构中还要在输入输出设备中间用存储器呢，直接用CPU处理输入输出岂不是更好用，速度更快。
当然可以这样用，但是如果真的这样使用，就会造成昂贵的成本，原本几千快的电脑，如果全部使用CPU处理各种数据，可能会花费十几万甚至几十万的成本，这是十分不划算的，并且我们大众需要的是性价比高的，即价钱便宜性能好，所以这里引用了内存即存储器，速度比磁盘快，价钱也比CPU便宜，可以很好解决这方面问题。
存储器可以将数据缓存在存储器中，进而CPU在存储器中读取数据时，不用再访问外设，可以在一定程度上提高效率
CPU读取数据（数据+代码），都是从内存中读取的。站在数据角度上，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。站在数据角度上，外设只和内存直接交互
有句话是：程序要运行，必须先被加载到内存中
现在我们可以用冯诺依曼体系结构知识解释，因为CPU读数据都是从内存中读取的，所以程序要运行，必须先被加载到内存中
下面举个例子，能更深入的理解冯诺依曼体系结构的知识：
小王和小张在两个不同的城市，他们用QQ联系，那么QQ发送一句话的过程大概是怎样的呢？
小王通过输入设备(键盘)将数据输入到存储器(内存)中，CPU通过内存分析数据后，再将数据写回给内存，之后内存再将数据给到输出设备(网卡)，接着就发送到网络(后面会说到，这里只涉及冯诺依曼相关知识)，然后到了小张那边用输入设备(网卡)接收消息，把数据从网卡读到内存里，继续刚刚的过程，将数据交给CPU计算分析，然后CPU再将数据写回内存，最后再将数据刷新到输出设备(显示器)上
具体步骤如下图所示，紫色箭头就是上述全部过程：
二、进程
操作系统：先描述，再组织
1、关于进程
Windows下，我们自己电脑上启动一个软件，本质就是启动了一个进程
Linux下，运行一条命令，在运行的时候，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，是可以同时存在大量的进程在系统中的(OS里就是内存中)
下面对进程下定义：
进程 = 对应的代码和数据 + 进程对应的PCB结构体
当把数据加载到内存中，就变为进程了，这时会生成一个struct结构体PCB，包含了该进程的所有属性，这时对进程的管理，就变为了对进程结构体PCB链表的增删查改
关于PCB结构体
PCB全称是：process control block，在不同的操作系统中，PCB的名字不同
在Linux中，PCB结构体是task_struct，它会被装载到内存中并且包含进程的属性信息
task_struct的内容：
①标识符：描述进程的唯一标识符，用来区分其他进程
②状态：任务状态，退出代码，退出信号等
③优先级：相对于其他进程的优先级
④程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址
⑤内存指针：包括程序代码和进程相关的数据的指针
⑥上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据
⑦IO状态信息⑧记账信息等等
2、查看进程
①ps
ps是查看进程的命令
首先打开两个页面，都是我自己路径下
在test.c文件里写了死循环打印hello world的程序，然后编译运行
在左边的页面内输入ps，ps只能查看当前终端的进程：
ps axj是查看所有的进程：
而我们要查看的是自己刚刚的进程，所以输入：ps axj | grep 'test'
再把头部带上，即输入：ps axj | head -1 && ps axj | grep 'test'
这样查看，我们可以发现，./test是在运行的，所以有./test进程，又因为grep在查看进程，所以还有一个grep进程
头部有一个PID，代表进程ID，它代表当前进程的ID值
这时我们将右边的死循环Ctrl + c终止了，这时再执行ps axj | head -1 && ps axj | grep 'test'命令，会发现只有一个grep进程了
②/proc
有一个系统文件夹是/proc，存放的是进程信息
这时我们运行./test，然后查看进程：
发现test的进程PID是21599，然后我们在proc这个系统文件夹中也可以看到当前的进程PID21599(-l是显示属性-d是只显示路径)
而当我们Ctrl + c终止死循环进程时，再查看就没有这个进程信息了
所以我们可以发现proc这个文件夹是动态的
3、getpid
getpid是获得我们的进程PID的，下面是用man查看getpid的介绍
需要包两个头文件，其中返回值pid_t其实就是无符号整型
接下来将test.c改造一下，使用getpid这个函数：
然后右边窗口运行test后，左边窗口查看进程：
可以发现getpid获得的PID和我们ps查看的PID相同
而我们如果想终止这个死循环，可以Ctrl + c终止，也可以kill -9 PID终止
Ctrl + c终止：
kill -9 PID终止：
4、getppid
getppid是获得父进程的PID
下面是通过man查看getppid
和getpid一样，同样是包含两个头文件，同样返回值是pid_t
接下来将test.c里改变一下，将ppid也打印出来：
通过观察得知：
运行出来的PID和PPID与我们grep查看的一样
我们终止后再重新运行，如下图：
却发现，PID变了，但是PPID却一直是21147，那我们用ps查看一下21147，如下图：
我们发现PID是21147的进程是bash，而前面我们说过，bash的shell外壳程序
所以在执行命令时，所有的命令最终都是以bash的子进程的方式去运行的
5、fork()
fork()是创建一个子进程
下面是man查看fork
fork在头文件unistd.h中
需要注意的是fork函数的返回值：
失败的时候：返回-1
成功的时候：①给父进程返回子进程的pid ②给子进程返回0
下面使用fork给大家示范一下返回值的场景：
在fork函数前面打印一下进程的pid，然后执行fork函数后，分别打印fork函数的返回值ret，与对应的pid和ppid
大家观察可知，fork函数执行前，是父进程在执行，pid是22942，执行fork函数后，成功的话会有两个返回值①给父进程返回子进程的pid ②给子进程返回0
所以ret是0的就是子进程，而子进程的pid是22943
ret是子进程pid(22943)的就是父进程，而父进程的pid和fork执行前的pid一样，都是22942
通过上面的示例，可以更清楚的理解fork的两个返回值
fork基本用法
fork之后代码是父子进程共享的
下面例子可以清楚显示：
在fork函数后，有if和else if语句，分别判断fork的两个返回值，且都是死循环，下面看结果：
一个父进程一个子进程，交叉进行死循环，让父子进程在fork函数后面执行不同的代码，所以fork之后有两个不同的执行流，可以有两个while(1)同时执行，而ret这个返回值，在父进程里面是子进程的pid，在子进程里面是0
并且可以清楚观察到，子进程的ppid就是父进程的pid
一个父进程可能有多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程
所以父进程：子进程 = 1 ：n
所以给父进程返回子进程的pid用于区分子进程，而子进程只有一个父进程，并不需要区分，所以返回0
而在创建一个子进程的时候，操作系统需要新建一个task_struct(PCB结构体)，而这个新建的task_struct内部属性大部分是以父进程为模板的
fork函数实现时，运行到return前面就说明核心代码已经执行结束了
这时子进程已经被创建出来了，可能会已经被放到运行队列尾部了
所以这时父子进程一起执行，父进程被调度时会return，然后当子进程被调度时，return也会执行，所以fork函数会有两个返回值
6、进程状态
操作系统进程的状态：
新建：PCB资源刚分配好，还没有放到运行队列中就是新建状态
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，这个状态就叫做阻塞状态
挂起：当内存不足的时候，OS通过适当的置换进程的代码和数据到磁盘，此时进程的状态就叫做挂起状态
退出：退出状态
Linux操作系统进程的状态：
R运行状态：表明进程要么在运行中，要么在运行队列里，对应上面的运行态
S睡眠状态：也可以称为可中断睡眠，表明进程在等待事件完成，对应上面的阻塞状态，
D磁盘睡眠状态：深度睡眠，不可以被中断，不可以被被动唤醒
t调试状态：调试时的状态
T暂停状态：单纯的暂停状态
X终止状态：瞬时性非常强
Z僵尸状态：一个进程已经退出，还不允许被OS释放，处于一个被检测状态；维持该状态，是为了让父进程或OS来进行回收
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，子进程就进入僵尸状态
僵尸进程会造成资源泄露，必须使用wait/waitpid接口进行等待处理
7、孤儿进程
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，子进程称为“僵尸进程”
而如果父进程先退出，子进程还在运行，子进程就被称为“孤儿进程”
孤儿进程会被“领养”，被1号进程领养（init，即系统本身）
之所以要被领养，因为父进程退出后，未来子进程如果退出了，父进程早已不在，没有人来回收它，需要领养的进程进行回收
下面是test.c的代码，父进程执行三次就结束，而子进程一直死循环：
继续分为左右两个窗口，右边窗口运行，左边窗口观察进程：
可以观察到，右边开始运行以后，ps观察进程，蓝线划出来的就是子进程，这时父进程还没有退出，子进程的ppid还是父进程的pid，等父进程三次运行完退出后，子进程的ppid变为1，表示被1号进程领养
8、进程优先级
之所以要有优先级，是因为CPU是有限的，但是进程太多了，所以需要用这种方式竞争资源
而优先级就是确定谁先获得资源，谁后获得资源
优先级是选择将谁放在CPU上执行的重要调度指标
Linux中具体的优先级做法：
优先级 = 老的优先级 + nice值
下面具体演示：
创建两个窗口，右边窗口先写一个test.c，代码是死循环打印hello world，再加上打印pid的值，然后运行；在左边窗口观察进程信息，输入 ps -al | head -1 && ps -al | grep test：
在还没有运行程序时：
运行后：
可以看到进程信息中pid和打印的pid相同，所以就是正在运行的进程，并且蓝色圈圈出来的PRI就是优先级，NI就是nice值
PRI表示这个进程被执行的优先级，值越小越早被执行
NI是nice值，表示进程可被执行的优先级的修正数值
所以加入nice值后，新的优先级 = 老的优先级 + nice值，当nice值为负数时，该程序的优先级值会变小，优先级会变高，即越快被执行
修改nice值：top
首先重复刚刚的操作，可以看到当前是PRI是80，nice值是0
top相当于Windows中的任务管理器
再打开一个窗口，输入top
然后输入r
相当于告诉你renice就是修改nice值，而刚刚运行的pid是27103，所以再输入27103
现在就可以输入nice值，我们输入30，再用ps打印观察进程信息
可以发现优先级值变为了99，而nice值变为了19，那为什么不是30呢
因为Nice值的取值范围是-20 ~ 19，超过19自动当做19
所以Nice值为19，而优先级值也由刚刚的80变为了99
而我们如果想将优先级调高点，那就是nice值调低，将nice值输入-100，必须以sudo运行top:
这时nice值变为最小值-20，同时PRI也由80变为60，为什么不是刚刚的99-20变为79呢？其实每次设置优先级值都是由80开始设置，即从进程最开始的优先级开始设置
9、进程的几个特性
①竞争性：进程数量多，而CPU资源很少，所以进程直接是有竞争属性的，所以就有了优先级
②独立性：多进程运行，要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰
③并行：多个进程在多个CPU下分别、同时进行运行，称之为并行
④并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间内，让多个进程都得以推进，称之为并发（里面有时间片、抢占与出让的概念）
时间片：每一个进程在CPU执行时都会有一段时间，比如10ms，运行完就该下一个进程进CPU
抢占与出让：有可能进程a在CPU中运行的时间是10ms，而5ms就进行完了，这时进程a就相当于在出让CPU资源；而抢占就是指优先级高的可以抢占优先级低的进程的CPU资源
切换：
CPU中有很多寄存器，如果此时进程a正在运行，那么CPU中的寄存器里面，保存的一定是进程a的临时数据，而寄存器中存储的进程a的临时数据，就叫做进程a的上下文数据
当进程a由于并发、时间片的约束，暂时被切下来时，需要进程a带走自己的上下文数据
带走进程a的上下文数据暂时保存的目的是：下次回CPU运行时，能够重新恢复上去，就能继续按照之前执行的逻辑继续向后执行，就如同之前没有中断过一样
CPU中的寄存器只有一份，但是上下文数据可以有多份，分别用于对应不同的进程