Linux进程概念--操作系统与进程
Posted 蓝乐
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Linux进程概念--操作系统与进程相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
进程概念(一)
一、冯诺依曼体系结构
在正式介绍Linux进程之前,我们先了解一下冯诺依曼体系结构。
冯诺依曼体系结构是指所有的设备都只能直接和内存打交道,下图中的存储器指的就是内存。
具体来说,一方面,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);另一方面,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。
我们所熟知的计算机,以及不常见的服务器,大都遵循冯诺依曼体系。由于计算机都是由一个个硬件组件组成,其中:
·输入单元:包括键盘, 鼠标,扫描仪, 写板等
·中央处理器(CPU):含有运算器和控制器等
·输出单元:显示器,打印机等
举个例子,我们使用qq和朋友聊天时,数据的流动为:键盘输入->磁盘接收到内存->通过CPU处理后返回给磁盘->输出到网卡 – 数据通过网络 – 网卡输入->磁盘接收到内存->通过CPU处理后返回给磁盘->输出到显示器.如下图所示:
二、操作系统(Operator System)
1、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)。
如果要用一句话概括操作系统的话,那就是操作系统是管理软硬件的软件。
2、设计OS的目的
操作系统的作用之一就是方便用户使用。对上,操作系统可以给用户、开发人员、各种使用者提供良好的运行环境;对下,操作系统可以管理好相关的软硬件资源,并充分高效地利用软硬件资源。
3、定位–负责管理的软件
在整个计算机软硬件架构中,操作系统的定位是:一款负责管理的软件。
如何理解“管理”
在学校中,我们可以认为校长是管理者,学生是被管理者,而这之间的辅导员又是什么身份呢?准确来说,辅导员可以理解为执行者。
可以说,学生入学后,学生的信息便作为数据上传到学校的系统中。一般情况下,与校长见面是少之又少,而与辅导员却可能是常常打交道。校长根据学生的信息数据做出相应安排,对辅导员下达命令后,辅导员执行相关命令,并反映到学生身上,这便是管理的流程。那么学生的数据在计算机中是怎么存储的呢?很容易想到的就是结构体,而管理其的方式可以是用链表串起来;对学生数据的修改就是对链表的增删查改。
这里有一个既定事实,那就是管理者与被管理者并不会直接见面。对学生管理数据的过程,就可以称为对学生的描述。
那么对于管理,我们可以概括为一句话:先描述,再组织。
小结
计算机对于硬件的管理是:1、用struct描述起来。2、用链表或其他更高效的数据结构组织起来。
4、系统调用和库函数概念
·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。比如,以命令行的形式于操作系统进行交换,当这种方式的入门要求相对较高,于是有了库函数。
·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。比如我们C/C++以及windows系统的图形界面。
三、进程
在认识进程之前,首先想一想操作系统是怎么管理进行进程管理的呢?那便是先把进程描述起来,再把进程组织起来。
1、基本概念
在课本上,进程的概念是:程序的一个执行实例,或者说正在执行的程序等。
从内核的观点来看:进程是担当分配系统资源(CPU时间,内存)的实体。
2、描述进程-PCB
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。课本上称之为PCB(process control block),Linux操作系统下的PCB是: task_struct
task_struct
在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。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。
task_struct中的内容分类
·标示符: 描述本进程的唯一标示符,用来区别其他进程。(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[休学例子,要加图CPU,寄存器]。
·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
小结
(i)什么是PCB?
PCB是进程控制块,也就是用来描述进程的属性集合。
(ii)为什么要有PCB?
操作系统要进行管理工作,就需要PCB来进行对进程的描述。
(iii)怎么查看PCB(获取PCB的内容)?
可以通过getpid()和getppid()两个函数接口获取进的pid以及其父进程的pid。并通过/proc
命令查看进程信息
比如:要获取pid为1的进程信息,你需要查看 /proc/1 这个文件夹。
3、进程操作
查看进程
上述的proc就是一种查看进程的方法。其次,大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具获取。
通过系统调用获取进程标识符
·进程id(PID)
·父进程id(PPID)
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main()
while(1)
printf("pid:%d,ppid:%d\\n",getpid(),getppid());
sleep(1);
return 0;
通过系统调用创建进程–fork()函数接口
我们先通过man命令来认识fork这个函数接口:
需要注意的是:fork函数的返回值有两个,一个返回值标识父进程,另一个返回值标识子进程。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)我们通过下面的程序来认识一下:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main()
pid_t id = fork();
if(id == 0)//子进程
while(1)
printf("I am a child,pid:%d,ppid:%d,id:%d\\n",getpid(),getppid(),id);
sleep(1);
else if(id > 0)//父进程
while(1)
printf("I am the father,pid:%d,ppid:%d,id:%d\\n",getpid(),getppid(),id);
sleep(1);
else
//error
return 0;
我们可以用下面这条指令来查看进程的相关信息:
ps axj | head -1 && ps axj | grep proc
这里可能会很奇怪为什么一个函数的返回值可以同时有两个?这个问题将在后面的进程地址空间部分介绍。
4、进程状态
Linux源码对进程状态的描述
/*
* 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眠(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。
但实际上我们看到进程的状态信息后会带上一个+号:
这个+号实际上是进程在前台运行,在该进程运行的时候像ls,mv这样的指令是不能运行的,但是进程可以用ctrl + c终止,这就是前台进程。
而不带+号的进程是后台进程,这种进程运行状态下可以使用ls指令,但此时无法用ctrl + c的方式终止进程
这个时候就只能用kill指令杀死进程,终止其进程的运行。
进程状态查看
ps aux / ps axj 命令
僵尸进程
概念
·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)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
僵尸进程的模拟场景
我们用一个程序来模拟实现僵尸进程:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
int main()
/* while(1)
printf("pid:%d,ppid:%d\\n",getpid(),getppid());
sleep(1);
*/
pid_t id = fork();
if(id == 0)//子进程
while(1)
printf("I am a child,and I will eixt.pid:%d,ppid:%d,id:%d\\n",getpid(),getppid(),id);
sleep(1);
exit(-1);
else if(id > 0)
while(1)
printf("I am the father.and I will sleep for 30 s.pid:%d,ppid:%d,id:%d\\n",getpid(),getppid(),id);
sleep(30);
else
//error
return 0;
僵尸进程的危害
·进程的退出状态必须被维持下去,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。
·也就是说,僵尸状态下一直不退出,那么PCB就要一直维护该进程的信息。
·而一个父进程创建了多个子进程但是不回收,那么就会导致内存的浪费,因为数据结构对象本身就要占用内存,即在内存的某个位置进行开辟空间!
·这样就会造成内存泄露,其危害十分巨大。
孤儿进程
前面几种普通的进程状态介绍完后,下面介绍一个特殊的进程:孤儿进程。
概念
父进程提前退出,而子进程仍未退出,此时子进程就会被init(1号进程)收养,就成了孤儿进程。
孤儿进程的模拟实现
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
int main()
/* while(1)
printf("pid:%d,ppid:%d\\n",getpid(),getppid());
sleep(1);
*/
pid_t id = fork();
if(id == 0)//子进程
while(1)
printf("I am a child.pid:%d,ppid:%d,id:%d\\n",getpid(),getppid(),id);
sleep(1);
else if(id > 0)//父进程
while(1)
printf("I am the father.and I will eixt.pid:%d,ppid:%d,id:%d\\n",getpid(),getppid(),id);
sleep(5);
exit(-1);
else
//error
return 0;
孤儿进程和僵尸进程相比不会造成内存泄露,因为其被1号进程接收。
5、进程优先级
基本概念
·进程优先级的概念就是cpu资源分配的先后顺序,也就是指进程的优先权(priority)。
·优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用,可以改善系统性能。还可以把进程运行到指定的CPU上,这样一来,把不重要的进程安排到某个CPU,可以大大改善系统整体性能。
PRI&NI
通过ps -l
指令我们可以查看进程:
其中有几个重要信息:
·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
这其中,PRI就是进程的优先级,通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序,此值越小进程的优先级别越高。而NI就是nice值,表示进程可被执行的优先级的修正数值。
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
。这样,当nice值为负值的时候,那么该程序将会优先级值将变小,即其优先级会变高,则其越快被执行,反之则会越慢执行。
其中,nice其取值范围是-20至19,一共40个级别。而PRI的默认值为80,其取值范围是60至99。
需要强调一点的是,进程的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。
查看进程优先级的命令
ps -l
修改优先级的命令
用top命令更改已存在进程的nice:
进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值
输入NI后每次PRI都是从默认值80进行更改,这样才能够保证PRI的取值保留在60-99的范围内。
四、其他概念
竞争性
·竞争性: 系统进程数目众多,而CPU资源只有少量,甚至1个,所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务,更合理竞争相关资源,便具有了优先级。既定事实:进程与资源之间,进程永远占多数。
独立性
·独立性: 多进程运行,需要独享各种资源,多进程运行期间互不干扰(一般是在多核系统下)父子进程代码共享,而数据各自独占一份就是这个道理。
并行
·并行: 多个进程在多个CPU(多核)下分别,同时进行运行,这称之为并行
并发
·并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式,在一段时间之内,让多个进程都得以推进,称之为并发。(我们上面所介绍的常见基本都是并发)
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