Linux从青铜到王者第五篇:Linux进程概念第一篇

Posted 2021-06-27 森明帮大于黑虎帮

系列文章目录

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文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、冯诺依曼体系结构
• 二、操作系统
• • • 1.操作系统的概念
    • 2.操作系统的目的
    • 3.操作系统的定位
    • 4.如何理解管理
    • 5.操作系统总结
    • 6.系统调用和库函数概念
• 三、进程管理
• • • 1.基本概念
    • 2.描述进程-PCB
    • • 1.task_struct-PCB的一种
      • 2.task_ struct内容分类
    • 3.组织进程
    • 4.查看进程
    • 5.通过系统调用获取进程标示符
    • 6.通过系统调用创建进程-fork初识
    • 7.进程状态
    • • 1.Linux内核源代码
      • 2.Linux状态解读
    • 8.进程状态查看
    • 9.进程状态转换
• 总结

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前言

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一、冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

冯诺依曼的两个重要思想

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

1. 输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写字板等
2. 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
3. 输出单元：显示器，打印机等
4. 既是输入单元也是输出单元网卡等
   

关于冯诺依曼，必须强调几点：

1. 这里的存储器指的是内存。
2. 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)。
3. 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。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。
   ![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20210609164233906.png

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

1.操作系统的概念

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：

1. 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）。
2. 其他程序（例如函数库， shell程序等等）。

总结：操作系统=操作系统内核+一堆应用。

2.操作系统的目的

1. 与硬件交互，管理所有的软硬件资源。
2. 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。

总结：操作系统对上，给用户一个稳定高效的环境，对下管理好软硬件资源。

3.操作系统的定位

1. 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。
   

4.如何理解管理

1. 管理的例子

2. 描述被管理对象

3. 组织被管理对象。

1. 用户部分：自主开发，指令，yum。
   

2. 用户操作接口部分：库函数，把系统调用的函数再次封装了一遍，提供出来的函数。
   

3. system call部分：操作系统为程序员提供的接口。
   

4. 操作系统部分：内存管理，进程管理，文件管理，驱动管理。
   

5. 驱动程序：网卡驱动，硬盘驱动，其他驱动，有多少种硬件就对应对少驱动。

6. 硬件部分：网卡，硬盘，其他。

5.操作系统总结

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。

6.系统调用和库函数概念

1. 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。
2. 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。

三、进程管理

1.基本概念

1. 课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等
   
2. 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。
   代码如下：
   

区分程序和进程:

1. 程序:程序本质就是一个文件，是静态的，存储在磁盘当中。
2. 进程:程序运行起来之后，就叫做进程，静态是动态的，由操作系统管理。
   

2.描述进程-PCB

1. 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。
2. 课本上称之为PCB（process control block）， Linux操作系统下的PCB是: task_struct。
   

1.task_struct-PCB的一种

1. 在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。
2. 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。

数据结构叫做双向链表。

2.task_ struct内容分类

1. 进程标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
   进程PID：在当前操作系统当中唯一标识一个进程。
   ps aux:可以查看当前操作系统中当中的所有进程信息。

2. 进程状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。
   
3. 进程优先级: 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数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针。
   
6. 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
   
7. 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。
   
8. 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。
   
9. 其他信息。
10. 程序计数器和上下文数据。
    

3.组织进程

1. 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.查看进程

1. 进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看。
   
2. 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。
   

代码如下：

     1	#include<stdio.h>
     2	#include<unistd.h>
     3	int main()
     4	{
     5	    while(1)
     6	    {
     7	        printf("Hello process1\\n");
     8	        sleep(1);
     9	    }
    10	    return 0;
    11	}

5.通过系统调用获取进程标示符

代码如下：

     1	#include<stdio.h>
     2	#include<unistd.h>
     3	int main()
     4	{
     5	    printf("pid:%d\\n",getpid());
     6	    printf("ppid:%d\\n",getppid());
     7	    return 0;
     8	}

6.通过系统调用创建进程-fork初识

1. 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）。
   
   

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    fork();
    printf("hello:pid:%d,ppid:%d",getpid(),getppid());
    printf("\\n");
    return 0;
}

2. 父进程先运行还是子进程先运行？
   

3. 子进程创建出来后，代码从哪里开始运行 ？(重点)
   

4. 运行 man fork 认识fork。
   
   

5. 如何理解进程创建？
   

6. fork有为啥两个返回值，一个父进程返回子进程的PID，字进程返回0。
   
   
   

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    int ret=fork(); 
    if(ret<0)
    {
        printf("fork error!\\n");
    }
    else if(ret==0)
    {
        printf("child ret:%d\\n",ret);
    }
    else
    {
        printf("parent ret:%d\\n",ret);
    }
    return 0;
}

7 . 我们发现子进程的PPID是父进程的PID，而父进程的PPID是bash，所以bash是所有进程的父进程。

代码如下：

     1	#include<stdio.h>
     2	#include<unistd.h>
     3	int main()
     4	{
     5	    int ret=fork();
     6	    if(ret<0)
     7	    {
     8	        printf("fork error!\\n");
     9	    }
    10	    else if(ret==0)
    11	    {
    12	        printf("i am child:%d ret=%d\\n",getpid(),ret);
    13	    }
    14	    else
    15	    {
    16	        printf("i am parent:%d ret=%d\\n",getppid(),ret);
    17	    }
    18	    return 0;
    19	}

这里的子进程的父进程是1号进程不是2594进程是因为子进程在打印的时候， 原先的父进程已经退出了 所以子进程被1号进程所领养了。

7.进程状态

1.Linux内核源代码

1. 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：

代码如下：

/*
* 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 */
};

2.Linux状态解读

1. 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。
   
   有时候当我们真正运行一个程序，这个进程明明还在运行，但是我们查看进程状态信息时进程处于S+睡眠状态这是为什么呢？
   
   原因是这个程序代码中cpu访问内存的效率太高，但是IO设备访问内存的效率太低，导致cpu一直在等待IO设备，所以我们查看进程状态信息是S+状态。
   代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        printf("Hello Linux!\\n");
    }
    return 0;
}

我们只要去除IO输出语句那么程序就一直处于死循环，那么进程就是运行状态了。

代码如下：

#include<stdio.h>
int main()
{
    while(1)
        ;
    return 0;
}

2. 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)）。
   如果进程要硬盘寻找数据，但又由于速度太慢，导致进程进入休眠等待状态。
   而在进程D被内存杀掉，就会导致深度休眠成为D状态。
   

3. 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。

4. 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。

使用 kill -t查看Linux操作系统的信号列表

我们发现9号信号是KILL杀死进程，19号信号是STOP停止进程，18号信号是CONT进程继续。

如果我们在想要他换状态，只需kill -18 进程ID就行。

在这里我们又发现这里的S+又变成了S这又如何解释。
原因很简单，＋号代表前台进程，无＋号代表后台进程，且后台进程必须使用kill -9 进程ID才能杀死。

6 . 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

7. t(跟踪状态)当进程被gdb调试的时候，会产生t状态。

8.进程状态查看

ps aux 可以查看操作系统中所有的进程信息。

ps axj可以查看操作系统中子进程的父进程ID。

9.进程状态转换

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了Linux进程概念的前段部分的使用，而进程提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法，至于进程概念会在后半部分继续讲解。希望大家多多支持！另外如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。