Linux——进程概念进程创建僵尸进程孤儿进程环境变量程序地址空间详解

Posted 2023-02-20 康x呀

Linux——进程概念、进程创建、僵尸进程、孤儿进程、环境变量、程序地址空间详解

• 进程概念
• • 进程基本概念
  • 查看进程
• 进程创建
• 进程状态
• • 僵尸进程
  • 孤儿进程
  • 守护进程
• 环境变量
• 程序地址空间
• • • 内存管理

进程概念

进程基本概念

从用户角度：进程就是一个正在运行中的程序。

操作系统角度：操作系统运行一个程序，需要描述这个程序的运行过程，这个描述通过一个结构体task_struct（task_struct是Linux内核中的一种数据结构，被装载在RAM里，里面包含着进程的信息）来描述，统称为PCB，因此对操作系统来说进程就是PCB(process control block)程序控制块。

进程的描述信息有：标识符PID，进程状态，优先级，程序计数器，上下文数据，内存指针，IO状态信息，记账信息。都需要操作系统进行调度。

查看进程

进程的信息可以通过ls /proc系统文件来查看(如果要获取PID为1的进程信息，通过ls /proc/1来查看)：

也可以使用ps -ef -aux（较详细）指令来直接显示进程状态：

进程创建

Linux中非常重要的函数——fork()，它从已存在的进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。
创建进程：pid_t fork(void)

为什么创建子进程？
根据需求，区分父子进程，让各自运行不同代码去解决不同问题，根据返回值不同来区分。
返回值：
父进程：返回值大于0，子进程的pid
子进程：返回值等于0
若失败则返回-1；

可明显看出子进程和父进程的输出结果不一样

总的来说：子进程复制pcb的信息，代码共享，但是子进程并非从头开始，而是从fork()函数之后开始，数据独有

网络上对fork（）的理解:
(1)一个进程进行自身的复制，这样每个副本可以独立的完成具体的操作，在多核处理器中可以并行处理数据。这也是网络服务器的其中一个典型用途，多进程处理多连接请求。
(2)一个进程想执行另一个程序。比如一个软件包含了两个程序，主程序想调起另一个程序的话，它就可以先调用fork来创建一个自身的拷贝，然后通过exec函数来替换成将要运行的新程序。

进程状态

进程状态一般有：就绪态，阻塞态，运行态

在Linux下：R运行状态，S睡眠状态，D磁盘休眠状态，T停止状态，X死亡状态

这些当我们使用指令ps -aux和 ps -aux | grep status 就可以看到

僵尸进程

在进程状态中有两个比较特殊的存在：僵尸进程和孤儿进程
僵尸进程是进程退出后，但是资源没有释放，处于僵死状态的进程。

产生原因：

子进程先于父进程退出，操作系统检测到进程的退出，通知父进程，但是父进程这时候正在执行其他操作，没有关注这个通知，这时候操作系统为了保护子进程，不会释放子进程资源，因为子进程的PCB中包含有退出原因。这时候因为既没有运行也没有退出，因此处于僵死状态，成为僵尸进程。

下面用代码示例说明:

z这个标志就是僵尸进程的标志，僵尸进程的危害很大，kill这个命令普通进程可杀死，但是杀不死僵尸进程。

僵尸进程的危害？

1.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。

2.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。

3.那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，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，想想C语言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！

4.内存泄漏

那么怎么避免僵尸进程的产生？
一般处理就是关闭父进程，这样僵尸子进程也随之消失了。所以我们最好设置进程等待，等待子进程完成了工作，并且通知了父进程之后，然后再退出。

孤儿进程

父进程先于子进程退出，父进程退出后，子进程成为后台进程，并且父进程为1号进程（孤儿进程被1号init进程领养，当然要有init进程回收喽）。
特性：运行在后台，父进程成为1号进程。孤儿进程退出后不会成为僵尸进程—— 退出后父进程对其资源进行读取了

守护进程

守护进程（精灵进程）：是一种特殊的孤儿进程，因为先成为孤儿进程才能运行在后台 —— 特殊（脱离了与终端的关联+会话的关联）的孤儿进程

环境变量

环境变量：保存程序运行环境的变量

相关指令：

      env:查看所有的环境变量
      set:查看环境中所有变量
      echo:打印某个指定变量的数据
      
特性：具有进程之间的传递性

export：设置环境变量
unset：删除变量

常见的环境变量：HOME SHELL USER PATH

重要的环境变量：PATH —— 程序的默认运行路径

在程序中获取环境变量的接口：

char *getenv(const char *env_name)	//接口获取
name:环境变量名称
返回值：对应name环境变量的数据，如果找不到返回NULL；

如下结果直接显示环境变量的具体内容：

如果将变量的内容名称改为MYVAL，给它设值100，echo可以得到他的值是100，但是程序运行后却没有。这时用export指令设置环境变量，因此这就是环境变量具有进程间传递性的一个应用。

程序地址空间

进程的地址空间（可以说是程序地址空间），并且每个进程都有一份，整体内存也就这么大，不可能每个进程都一样，呢怎么分配？
答：给每一个进程虚拟一个完整的地址空间

地址是什么？地址是内存的编号，指向内存的一块区域

输出结果：

我们发现，输出出来的变量值和地址是一模一样的，因为子进程按照父进程为模版，父子并没有对变量进行进行任何修改。将代码稍加改动后:

输出结果：

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

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（OS必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址 ）

程序地址空间，本质上是操作系统为进程通过 mm_struct 描述的虚拟的地址空间，让每个进程都能访问一个完整的虚拟地址，经过映射之后，实现在物理内存上的离散存储，提高内存利用率，并且提高了内存访问控制。

内存管理

问题：如何通过虚拟地址找到物理内存中的存放位置，访问数据

内存管理方式：
分段式：将虚拟地址空间分为多个段（代码段、数据段…），分段式管理中，会给每个进 程都创建一个段表。

虚拟地址组成：短号+段内偏移

分段式内存管理方式：

取出虚拟地址中的段号，在段表中通过段号找到段表项，取出物理段起始地址，加上段内偏移量得到某个变量的实际存储地址。

分页式内存管理：
虚拟地址组成：页号+业内偏移
页表：记录了页号，权限位，缺页中断位，物理块起始地址…

在虚拟地址空间中，将整个空间划分为一个个小的分页。

分段式管理：基于使用性质划分的段，将地址空间进行分段管理，对于内存利用率并没有太大提高，但是对于程序地址管理比较友好。
分页式管理：基于存储划分的分页分块，将地址空间划分成一个个小的页面进行管理，提高了内存利用率，并且进行了权限管理，提高了内存访问控制。