linux进程概念

Posted 2021-10-15 可乐不解渴

愿我如星君如月，夜夜流光相皎洁。

文章目录

• • 进程的定义
  • 进程的创建过程
  • task_struct
  • 通过系统调用创建进程
  • • fork()创建子进程
  • 进程的状态
  • • R---运行状态
    • S---浅度休眠状态
    • D---深度睡眠状态
    • T---暂停状态
    • Z---僵尸状态
  • 孤儿进程
  • 进程的优先级
  • • 查看进程优先级
    • 使用top命令修改进程的优先级
  • 进程的特征

进程的定义

对于进程的定义，从不同的角度可以有不同的定义，其中较为典型的定义有：
(1) 进程是程序的一次执行。
(2) 进程是一个程序及其数据在处理及上顺序执行时所发生的过程。
(3) 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是一个实体的运行过程，它是系统进行资源分配的和调度的一个独立单位。

我们平时写的代码经过编译链接之后会形成一个.exe的可执行程序，这个可执行的程序本质上就是一个文件(linux上一切接文件)，这个文件是放在我们常说的什么C盘、D盘…等等上的。当我们用鼠标双击并使它开始执行，此时先从输入设备(磁盘)加载数据到内存，之后CPU在从内存中读入数据才开始真正的处理数据，最后CPU将处理好的数据写回内存，最后从内存中写出到输出设备中。
在上面所说的执行过程其满足的是冯诺依曼体系结构。

输入设备：键盘、网卡、磁盘、话筒、摄像头
输出设备：显示器、音响、网卡、磁盘。
为什么要采用这种结构呢？
因为CPU的速度非常快，但是输入输出设备非常慢(相较与内存到CPU)，如果输入输出设备直接与CPU进行打交道，此时整体的计算机的效率会因为CPU去等待输入输出设备而被拉慢了，这就是我们常说的木桶原理。
那么为什么内存到CPU就比输入输出设备到CPU快呢？这里不是多一步操作，不应该变的更慢了才对吗？
不能直接从表面去看待问题，虽然多了一个步骤，但不能这么去理解。
由于内存到CPU的速度相较于输入输出设备到CPU的速度较快，并且我们的内存是一个具有装载数据能力的，我们可以先让数据从输入设备预装载到内存中。当我们现在要计算100条数据，此时我们直接把这100条数据预装载到内存中，在让CPU去内存里拿数据，此时整体效率会提升，并且CPU的命中率也会相应的增加。
举个例子：
当你回家去吃饭，你妈妈看到你回来了然后说我先去买菜，买完菜再去洗菜最后在去炒菜，这样时间太久了。最高效的是，你提前和你妈妈说你要回来吃饭了，然后你妈妈提前把菜准备好，回到家就可以直接吃饭了，这样可以大大提高你的效率。
正如我们的CPU此时只需要从内存拿数据计算，计算完成后写回内存即可，而数据的写入和输出由其他设备来完成。
结论：1、正是因为内存具有数据存储能力，并且能预装载数据进而提高效率的秘诀，而数据的预装多少是由OS来决定的。
2、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)
3、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。

进程的创建过程

当我们输入ps aux时，我们可以查看到当前系统中所存在的进程。

而这些进程的创建过程是要经过那些步骤呢?
当我们开机的时候启动的第一个程序就是我们的操作系统，而操作系统是一个用来进行管理驱动、文件、内存、进程管理的一个软件。而进行管理我们就应该想到6字真言，先描述，再组织。
我们先将进程信息描述好被放在一个叫做进程控制块的数据结构PCB(Process Control Block)中，可以理解为进程属性的集合。描述好后OS将新创建的PCB以双向链表的形式将它连接起来。只要OS拿到该双向链表的头指针即可访问完所有的进程。

task_struct

task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM中并且包含着进程的信息。每个进程都把它的信息放在 task_struct 这个数据结构体，task_struct 包含了这些内容：
(1)标示符 ： 描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。
(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。
(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。

在上面所讲的PCB就是tack_struct的一种，其中上面的标识符为每个进程的pid，而我们可以通过getpid()函数来获取到每个进程的pid。

通过系统调用创建进程

fork()创建子进程

fork()函数创建子进程，并且有两个返回值，父子进程代码共享，数据各自开辟空间，各自私有一份（采用写时拷贝），当子进程修改了变量值，不会影响父进程的变量。
子进程执行从fork函数之后的父进程的代码。
fork函数的返回值：
fork函数会返回两个返回值，一个给父进程返回的是子进程的pid，另一个返回0值给子进程。

我们通过fork()函数来创建子进程，并通过if条件判断来进行分流操作。

注意：这里父子进程的调度是由操作系统来调度的，因此不确定谁先被调度。但是有一个能肯定的是，不管谁先被执行完，父进程都会来等待子进程执行完才退出，不然子进程一直是僵尸进程导致资源的浪费。

进程的状态

R—运行状态

如果该进程是R状态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—浅度休眠状态

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)。
我们可以利用如下代码来模拟出一个S状态。

当上面的可执行程序运行后，我们利用 ps aux|head -1&&ps aux |grep myproc.exe|grep -v grep命令来查看当前进程的状态。

并且在浅度睡眠下，该进程是可以被杀死的。

D—深度睡眠状态

一个进程处于深度睡眠状态，表示尽管OS发现此时内存不够用了该进程不会被杀掉，只有当该进程被唤醒才可以被杀死。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—暂停状态

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。

Z—僵尸状态

子进程先于父进程退出， 子进程在退出的时候会向父进程发送SIGCHLD信号，而父进程收到SIGCHLD信号之后是忽略处理的， 所以是子进程的退出资源没有进程回收， 从而变成了僵尸进程。
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。就像我们平时写的代码中的返回值一样，返回一个结果给你，然后通过这个结果来看看执行的结果正不正确。当父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态。
• 由于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就会一直都要维护退出状态的信息。
• 当一个父进程创建了很多子进程，子进程都不回收，就会造成内存资源的浪费，因为数据结构对象本身就要占用内存。从而造成内存泄漏。
  
  X—死亡状态
  这个状态只是一个返回状态，在任务列表里看不到这个状态。

+状态—前台运行
让前台运行改至后台运行在执行可执行程序后加 & 即可。如果想要杀死该进程使用kill -9 命令。

孤儿进程

孤儿进程：父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z状态之后，子进程就称之为“孤儿进程” 孤儿进程，此时子进程被1号init进程领养，最后资源由init(1号)进程回收。
利用如下代码来模拟实现孤儿进程。

进程的优先级

基本概念：就是cpu资源分配给进程的先后顺序，就是指进程的优先权。
优先级越高的进程有优先执行的权力。
①查看系统进程指令 ps -l，显示结果如下：

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。
其中 PRI 和 NI 与进程的优先级有关
进程的NI(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,nice最大与最小修改范围为[-20,19]。
而PRI此时显示的就是进程的优先级，PRI值越小就代表该进程的执行的优先级越高。
linux中优先级=优先级(默认的优先级比如上面的80)+nice值
上面那个默认的优先级不会被改变，所以它的优先级最高是60，最低是99
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

查看进程优先级

[ZJ@VM-0-11-centos 0917]$ ps -al

使用top命令修改进程的优先级

修改进程的优先级


当你输入的nice值，超过[-20,19]时，默认按最大的计算。
I、降低进程优先级

II、升高进程优先级


我们发现升高优先级中，我们一开始的优先级被我们降低至了90，之后我们进行提高。如果你输入的nice值超过了范围，则默认用最大数。
此时我们提高优先级发现并不是我们想要的79，因为在上面我们先降低了了它的优先级，此时在加(-20)那么不应该是60吗？
这里的PRI并不是从你改变的当前值开始改变的。而是从默认老的优先级(80)开始改变。
所以我们得出一个公式： PRI(new)=PRI(old)+nice
注意：当你输入的nice值，超过[-20,19]时，默认按最大的计算。

进程的特征

• 动态性
  进程的实质是进程实体的执行过程，因此，动态性就是进程的最基本的特征。动态性还表现在：“它由创建而产生，由调度而执行，由撤销到消亡。”可见，进程实体有一定的生命期，而程序则只是一组有序指令的集合，并存放于某种介质上，其本身不具有活动的含义，因此程序是静态的，而进程是动态的。
• 并发性
  是指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。引入进程的目的也正是为了使其进程实体和其他进程实体并发执行。因此，并发性是进程的另一重要特征，同时也成为OS的重要特征。而程序(OS并没有为它创建PCB)是不能参与并发执行的。
• 独立性
  独立性是指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。

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那本篇文章就到这里啦，下次再见啦！