进程基本概念

Posted 2022-01-25 任我驰骋°

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了进程基本概念相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

冯诺提曼体系

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。

我们的计算机都是由硬件构成：
输入设备：键盘，鼠标，写字板等
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。
关于冯诺依曼强调几点：
存储器其实指的就是内存。
CPU只能对内存进行读写，不能访问其他的外设设备。
外设想获取数据，也只能从内存中获取。
所以，所有的设备都只能和内存打交道。

此外，越靠近CPU，存储的效率越高，单价就越高，所以他的容量一般就很小。
以为CPU的执行效率比硬件快得多，所以内存和外设设备可以被充当做缓冲区，计算机的运行速度取决于效率低的一方，也就是木桶效应。

一、操作系统

概念

操作系统是一个基本的程序集合，成为操作系统（OS）。操作系统包括：
内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
其他程序（例如函数库，shell程序等等）

设计OS的目的

与硬件交互，管理硬件资源
与软件应用程序交互，为用户提供好的环境。

定位

操作系统是一个搞管理的软件

管理的六个字：

先描述再组织。

操作系统管理的方式是：
先描述：用struct描述出来。
在组织：用链表或者其他高效的数据结构。

二、进程

在描述进程之前，用上面的话说管理进程就是先把它描述出来，再组织

概念

基本概念：一个正在运行的实体，正在执行的程序。
内核概念：担当分配资源的实体（占用内存，CPU时间）。

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是PCB的一种，这种数据结构会被装载到内存中并且包含着内存的信息。

task_ struct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，PPid。

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

组织进程

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。

三、查看进程

第一种方式：进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

在这些数字中可找到正在运行进程的进程号。

第二种方式：通过ps aux | grep mybin | grep -v grep查找正在运行的进程

fork创建子进程

进程id（PID）
父进程id（PPID）

输出结果：

从上可以看出fork()之后会再生成一个进程bash是原始进程的父进程，fork之后生成的是子进程。

fork会有两个返回值，一个是父进程的返回值，返回子进程的pid，还有一个是子进程的返回值0。
这里就有几个问题：
1.如何理解进程创建？

创建进程，系统就多了一组管理进程的数据结构和该进程的代码和数据。
父子进程数据是各自私有的，但代码共用一份，采用写时拷贝，可节省系统的空间。

2.fork为什么会有两个返回值，如何理解呢？

因为fork函数执行有return函数，存在返回值。父进程会执行return，子进程也会执行。

3.fork父子执行顺序和代码和数据复制的问题。

进程数据=代码+数据
父进程创建子进程的时候，代码是共享的，但数据各自私有一份（写时拷贝）

代码是逻辑，一般是不可修改的
而数据可读可写。
当父进程fork创建子进程完毕，剩下的代码谁先运行，这个不确定，由系统调度器决定。

4.为什么父进程返回的是子进程pid，子进程返回的是0。

具体的操作系统实现会有所不同。

进程状态查看

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：

/*
* 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 */
;

进程状态：

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。该状态无法被操作系统杀掉，也是深度睡眠状态。

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。

ps aux 或者 ps axj 命令

这里就有一个面试题，状态是R的进程他一定在CPU上面跑吗？

这个不一定。
下图为进程在内存中的队列。

队列有几种不同的状态，分别是运行队列，等待队列，阻塞队列。而处于R状态的进程是要么在运行中，要么在等待队列中。

Z(zombie)-僵尸进程
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。

测试代码：

僵尸进程危害

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！造成内存泄漏。

为什么会有僵尸状态？

因为僵尸状态的时候，task_struct会被保留，以便于父进程获得退出原因，然后再将它回收。

Linux中echo $? 会获得最近一个退出进程的退出码。

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”

如果没有进程将它领养，将会造成内存泄漏。

孤儿进程被1号systemd进程领养，要有systemd进程回收。

四、进程优先级

cpu资源分配的先后顺序，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。

查看系统进程

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

PRI and NI

PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者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

那NI呢?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

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

所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值

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。可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据。

正常情况下，PRI默认值为80，Nice默认值为20，它的取值范围是[-20,19],一共40个级别。

查看进程优先级

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

因为系统默认的优先级是合理的，除非特殊情况下，进程优先级不修改。

其他概念

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。

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。

并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。

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。

五、环境变量

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。

如何理解环境变量？

当我们执行一个进程的时候，在硬件上，会把该进程的从硬盘上加载到内存；在软件上，操作系统会为他创建一个task_struct。
正常情况下运行一个程序或命令需要带上路径。

而ls有它的默认查找路径！PATH环境变量当中，

常见环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径

HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)

SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。

查看环境变量

echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

测试PATH

导入/usr/bin可直接使用nice进程指令。

这种不推荐，会污染环境变量。

还有一种将当前路径导入环境变量，这种不污染。

测试HOME

用root和普通用户，分别执行 echo $HOME ,对比差异
. 执行 cd ~; pwd ,对应 ~ 和 HOME 的关系

组织方式

每个程序都会收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以’\\0’结尾的环境字符串

SHELL

是什么？系统中的某些具有一定全局性质的变量，通常是为了满足某些系统需求。
为什么？系统的全局变量是为了方便用户，开发者，系统进行某种最简单化的查找，定位，确认等等问题。
怎么办？命令行，env，export，PATH，SHELL，HOME。

语言操作环境变量

六、程序地址空间

我们写代码以及运行内存如下图所示。

我们先用一段代码来测试一下：

运行后地址如下：

再来段代码感受一下。

我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！能得出如下结论:
变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量
但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
在Linux地址下，这种地址叫做虚拟地址
我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理