【Linux--进程】

一、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。

1.1描述进程-PCB

操作系统是一个软硬件资源管理的软件，那么相比进程也要被操作系统（OS）管理。
那么操作系统是如何对进程进行管理的呢？答案肯定是：先描述，在组织，对一个进程我们首先要用计算机语言对其进行描述，再利用相关的数据结构将其组织管理起来。
在操作系统的书籍上称描述进程的结构体为pcb，在linux操作系统下这个结构体叫做task_struct，这是在操作系统内核中创建的一种数据结构。但是一台计算机上会同时有多个进程(你可以打开你的任务管理器，看到许多进程正在跑着)，操作系统是如何将这么多进程组织起来的呢？
是将各个进程的pcb（process control block）利用链表这种数据结构对其组织起来。

1.2task_struct中内容分类

操作系统内核中创建pcb来完成对进程的管理，那么这个结构体里究竟都有什么内容呢？

• 标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
• 这里的标示符指的是PID
• 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

//截取源码部分
struct task_struct {
	volatile long state;//状态	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
	void *stack;//栈
	atomic_t usage;
	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */
	unsigned int ptrace;

	int lock_depth;		/* BKL lock depth */
    /* task state */
	int exit_state;
	int exit_code, exit_signal;
	int pdeath_signal;  /*  The signal sent when the parent dies  */
	/* ??? */
	unsigned int personality;
	unsigned did_exec:1;
	unsigned in_execve:1;	/* Tell the LSMs that the process is doing an
				 * execve */
	unsigned in_iowait:1;


	/* Revert to default priority/policy when forking */
	unsigned sched_reset_on_fork:1;

	pid_t pid;//标识符
	pid_t tgid;
    //...
};

二、了解进程

2.1查看进程

先看看猪跑的样子(嘿嘿)。
进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

大多数的进程同样可以通过top、ps这样的工具来查看

自己创建一个进程
普通的代码：

2.2通过系统调用获取进程标识符

• 进程id（PID）
• 父进程id（PPID）
  
  
  这里可以看到test的pid是13414而它的ppid为9927，它的父进程是什么呢？
  其实可以查看下。
  ps -axj | head -1 && ps -axj | grep bash | grep -v grep
  
  结论：我们自己写的程序是通过bash来创建子进程执行的，所以使用命令行bash启动的程序，其父进程都是bash。

三、fork创建进程

3.1fork()函数

fork 函数的作用是创建一个子进程，函数声明如下：

这里提一下返回值，父进程创建成功会返回子进程的PID，创建失败返回 -1，创建出子进程以后，子进程也会执行fork，但是子进程不会继续创建新的进程，因此返回值是0。这是我们辨别父子进程的关键依据。

• 子进程运行 fork()函数 返回0
• 父进程运行 fork()函数 返回子进程的PID
  fork（）函数调用后的变化：
  fork之后，执行流会变成两个执行流
  fork执行之后父子进程，父子进程谁先执行是随机的由调度器决定先调度谁
  fork之后，fork之后的代码共享，通常我们采用if else 语句来进行分流，父子进程执行不同的代码
  不同进程之间是相互独立的，父子进程也是如此，这是如何实现的呢？
  对于代码：代码是只读的，父子进程公用一份代码谁读谁的代码互不影响。
  对于数据：当有一个执行流想要修改数据的时候会发生写时拷贝（下面的进程地址空间会提到），来保证进程的独立性。
  使用fork( )创建子进程的例子：
  
  
  
  打印的顺序不一定是先打印父进程，然后打印子进程，顺序是随机的，子进程被创建以后，会立马加入到运行队列中，谁先运行完，就先打印
  问题：为什么要给子进程返回0给父进程返回子进程的pid？
  答案：返回不同的返回值，是为了区分让不同的执行流执行不同的代码块！一般而言fork之后的代码父子共享。一个父进程可以有多个子进程，而一个子进程可以有多个父进程，给父进程返回子进程的pid可以用来标识子进程的唯一性其目的也是为了区分子进程。

3.2写时拷贝

写时拷贝现象：
先看以下代码与执行结果。

我们发现，两次打印的值居然不一样，不是说父子进程共享一份数据和代码吗？？
答案是发生了写时拷贝！！
写时拷贝原理：

四、进程的状态

4.1操作系统学科里的进程状态（运行、阻塞、挂起）

运行状态：

阻塞状态：
当一个进程的资源没有就绪时，系统会把这个进程放入等待队列中，当这个资源就绪时，就会把进程从等待队列放入运行队列中。
挂起状态：
假设操作系统的内存严重不足时，将等待队列中进程的代码和数据“换出”时，这个进程的状态为挂起状态。

4.具体的Linux状态是如何维护的

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（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。

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
僵尸进程的危害：
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！
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

五、进程的优先级

问题1：什么是优先级
进程的优先级代表了对于资源的访问，谁先访问，谁后访问。
问题2：为什么要有进程优先级
因为资源是有限的，进程是多个的，注定了进程之间的竞争关系！操作系统必须保证进程的良性竞争，确认优先级。
问题3：怎么修改优先级

• 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
  Linux不想过多的让用户参与优先级的调整，在我们对应的范围内进行优先级调整，nice:[-20,19]
  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。
  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

六、环境变量

6.1 环境变量的基本概念

• 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

6.2和环境变量相关命令

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

6.3获取环境变量的方式

1.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;
}

2.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;
}

总结：
环境变量是系统提供的一组name=value形式的变量，不同的环境变量有不同的用户，通常具有全局属性，可以被子进程继承。
我们所运行的进程都是子进程，bash在启动时会从操作系统的配置文件中读取环境变量的信息，子进程会继承父进程交给他的环境变量。

七、进程地址空间

7.1程序地址空间

验证的代码及结果：

7.2写时拷贝

所谓的地址空间是什么？
本质上是一个描述进程可视范围的大小，地址空间内一定要存在各种区域的划分，对线性地址进行start、end即可。
地址空间本质是内核的一个数据结构对象，类似PCB一样，地址空间也是要被操作系统管理的：先描述、在组织

为什么要有进程地址空间：
1.让进程以统一的视角看待内存。
2.增加进程虚拟空间可以让我们访问内存的时候，增加一个转换的过程，在这个转换的过程中，可以对我们的寻址请求进行在审查，一旦有异常访问，直接拦截，该请求不会到达物理内存，保护物理内存。
3.因为有地址空间和页表的存在，将进程管理模块和呢村管理模块进行解耦合！