Linux - 进程概念

Posted 2023-03-23 ikun66666

1.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

截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成

● 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

关于冯诺依曼，必须强调几点：

● 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)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
● 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

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qq开始到和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。

2.操作系统(Operator System)

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：

● 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，管理所有的软硬件资源
● 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

定位：

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

如何理解"管理"：

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

3.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。

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。

系统调用，其实就是OS设计的C语言函数！

4.进程概念

概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等
内核观点：担当分配系统资源的实体

4.1描述进程-PCB

进程信息被放在一个叫做程序控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合
Linux操作系统下的PCB是 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。
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

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。

Linux下的task_struct如下：

//Linux中task_struct用来控制管理进程，结构如下：

struct task_struct

 //说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
    volatile long state; 
 //Flage 是进程号,在调用fork()时给出
 unsigned long flags; 
 //进程上是否有待处理的信号
 int sigpending;  
 //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
 mm_segment_t addr_limit; //0-0xBFFFFFFF for user-thead 
      //0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
                       
 //调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
 volatile long need_resched;
 //锁深度
 int lock_depth; 
 //进程的基本时间片
 long nice;      

 //进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
 unsigned long policy;
 //进程内存管理信息
 struct mm_struct *mm;
 
 int processor;
 //若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
 unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
 //指向运行队列的指针
 struct list_head run_list;
 //进程的睡眠时间
 unsigned long sleep_time; 

 //用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
 struct task_struct *next_task, *prev_task;
 struct mm_struct *active_mm;
 struct list_head local_pages;       //指向本地页面     
 unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
 struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式
 int exit_code, exit_signal;
 int pdeath_signal;     //父进程终止是向子进程发送的信号
 unsigned long personality;
 //Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
 int did_exec:1;
 pid_t pid;    //进程标识符,用来代表一个进程
 pid_t pgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组
 pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识
 pid_t session;  //进程的会话标识
 pid_t tgid;
 int leader;     //表示进程是否为会话主管
 struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
 struct list_head thread_group;   //线程链表
 struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
 struct task_struct **pidhash_pprev;
 wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用
 struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用
 unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值
 //it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value

 //设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据

 //it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。

 //当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送

 //信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.
 //it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种

 //状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据

 //it_virt_incr重置初值。

 unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
 unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
 struct timer_list real_timer;   //指向实时定时器的指针
 struct tms times;      //记录进程消耗的时间
 unsigned long start_time;  //进程创建的时间

 //记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
 long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
 //内存缺页和交换信息:

 //min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换

 //设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。
 //cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。

 //在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
 unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
 int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
 //进程认证信息
 //uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid

 //euid，egid为有效uid,gid
 //fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件

 //系统的访问权限时使用他们。
 //suid，sgid为备份uid,gid
 uid_t uid,euid,suid,fsuid;
 gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
 int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
 gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组

 //进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合
 kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;

 int keep_capabilities:1;
 struct user_struct *user;
 struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息
 unsigned short used_math;   //是否使用FPU
 char comm[16];   //进程正在运行的可执行文件名
 //文件系统信息
 int link_count, total_link_count;

 //NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空
 struct tty_struct *tty;
 unsigned int locks;
 //进程间通信信息
 struct sem_undo *semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作
 struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作
 //进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中
 struct thread_struct thread;
   //文件系统信息
 struct fs_struct *fs;
   //打开文件信息
 struct files_struct *files;
   //信号处理函数
 spinlock_t sigmask_lock;
 struct signal_struct *sig; //信号处理函数
 sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位
 struct sigpending pending;  //进程上是否有待处理的信号
 unsigned long sas_ss_sp;
 size_t sas_ss_size;
 int (*notifier)(void *priv);
 void *notifier_data;
 sigset_t *notifier_mask;
 u32 parent_exec_id;
 u32 self_exec_id;

 spinlock_t alloc_lock;
 void *journal_info;
 ;

4.2查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

查看PID为1的进程

ls /proc/1

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

ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess | grep -v grep

4.3通过系统调用获取进程标示符

进程id（PID） 父进程id（PPID）

getpid() 获取pid getppid() 获取父进程pid

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()

    while (1)
    
        printf("hello process，我的pid: %d ", getpid());
        printf("我的父进程ppid: %d\\n", getppid());
    

    return 0;

kill -9 pid //终止进程

4.4通过系统调用创建进程-fork初识

运行 man fork 认识fork fork有两个返回值 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）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main()

    printf("AAAAAAAAAAAA:pid:%d ppid:%d\\n", getpid(), getppid());
    pid_t ret = fork();
    printf("BBBBBBBBBBBB: pid:%d, ppid:%d, ret:%d, &ret:%p\\n", getpid(), getppid(), ret, &ret);
    sleep(1);

    return 0;

发现执行了两个BBBBBBB，父子进程顺序是顺机的，由操作系统决定

这里AAAAAA的父进程其实就是bash

两个问题？

1个函数为什么由两个返回值？
同一个地址，变量有两个值？

fork 之后通常要用 if 进行分流 ret>0的是父进程，ret==0是子进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()

    pid_t ret = fork();
    if (ret == 0)
    
        // 子进程
        while (1)
        
            printf("我是子进程，我的pid是：%d,我的父进程是：%d\\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        
    
    else if (ret > 0)
    
        // 父进程
        while (1)
        
            printf("我是父进程，我的pid是：%d,我的父进程是：%d\\n", getpid(), getppid());
            sleep(2);
        
    
    else
    
    

    return 0;

fork后执行流变成两个执行流，谁先运行由调度器，且代码共享，通常我们用if /elseif来执行流分流。