Linux进程概念

Posted 在下赵某人

tags:

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进程概念相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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,都是有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,从你登录上qq开始和某位朋友聊
天开始,数据的流动过程。从你打开窗口,开始给他发消息,到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发
送文件呢?

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”
管理的例子
描述被管理对象
组织被管理对象

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

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。

承上启下

那在还没有学习进程之前,就问大家,操作系统是怎么管理进行进程管理的呢?很简单,先把进程描述起来,再把
进程组织起来!

进程

基本概念

课本概念: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(CPU时间,内存)的实体。

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-PCB的一种
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

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。

查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看
如:要获取PID为1的进程信息,你需要查看 /proc/1 这个文件夹。
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

通过系统调用获取进程标示符

进程id(PID)
父进程id(PPID)

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)
fork 之后通常要用 if 进行分流
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()

while(1)
sleep(1);

return 0;

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

printf(“pid: %d\\n”, getpid());
printf(“ppid: %d\\n”, getppid());
return 0;

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

int ret = fork();
printf(“hello proc : %d!, ret: %d\\n”, getpid(), ret);
sleep(1);
return 0;

进程状态

看看Linux内核源代码怎么说

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

int ret = fork();
if(ret < 0)
perror(“fork”);
return 1;

else if(ret == 0) //child
printf(“I am child : %d!, ret: %d\\n”, getpid(), ret);
else //father
printf(“I am father : %d!, ret: %d\\n”, getpid(), ret);

sleep(1);
return 0;

/*

  • 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 */
    ;
    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。

进程状态查看

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,后面讲)
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
来一个创建维持30秒的僵死进程例子:
ps aux / ps axj 命令
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()

pid_t id = fork();
if(id < 0)
perror(“fork”);
return 1;
编译并在另一个终端下启动监控
开始测试
看到结果
ptrace系统调用追踪进程运行,有兴趣研究一下

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!
内存泄漏?是的!
如何避免?后面讲

进程状态总结

至此,值得关注的进程状态全部讲解完成,下面来认识另一种进程

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”
孤儿进程被1号init进程领养,当然要有init进程回收喽。

else if(id > 0) //parent
printf(“parent[%d] is sleeping…\\n”, getpid());
sleep(30);
else
printf(“child[%d] is begin Z…\\n”, getpid());
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);

return 0;

来段代码:

进程优先级

基本概念
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
在linux或者unix系统中,用ps –l命令则会类似输出以下几个内容:
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()

pid_t id = fork();
if(id < 0)
perror(“fork”);
return 1;

else if(id == 0)//child
printf(“I am child, pid : %d\\n”, getpid());
sleep(10);
else//parent
printf(“I am parent, pid: %d\\n”, getpid());
sleep(3);
exit(0);

return 0;

我们很容易注意到其中的几个重要信息,有下:
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
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
nice其取值范围是-20至19,一共40个级别。
PRI vs NI
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
查看进程优先级的命令
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
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
环境变量
基本概念
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
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。
查看环境变量方法
echo $NAME //NAME:你的环境变量名称
测试PATH

  1. 创建hello.c文件
  2. 对比./hello执行和之间hello执行
  3. 为什么有些指令可以直接执行,不需要带路径,而我们的二进制程序需要带路径才能执行?
  4. 将我们的程序所在路径加入环境变量PATH当中, export PATH=$PATH:hello程序所在路径
  5. 对比测试
  6. 还有什么方法可以不用带路径,直接就可以运行呢?
    测试HOME
  7. 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
    和环境变量相关的命令
  8. echo: 显示某个环境变量值
  9. export: 设置一个新的环境变量
  10. env: 显示所有环境变量
  11. unset: 清除环境变量
  12. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量
    环境变量的组织方式
    #include <stdio.h>
    int main()

    printf(“hello world!\\n”);
    return 0;

    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
    通过代码如何获取环境变量
    命令行第三个参数
    通过第三方变量environ获取
    libc中定义的全局变量environ指向环境变量表,environ没有包含在任何头文件中,所以在使用时 要用extern声明。
    通过系统调用获取或设置环境变量
    putenv , 后面讲解
    getenv , 本次讲解
    #include <stdio.h>
    int main(int argc, char *argv[], char *env[])

    int i = 0;
    for(; env[i]; i++)
    printf("%s\\n", env[i]);

    return 0;

    #include <stdio.h>
    int main(int argc, char *argv[])

    extern char **environ;
    int i = 0;
    for(; environ[i]; i++)
    printf("%s\\n", environ[i]);

    return 0;

    常用getenv和putenv函数来访问特定的环境变量。
    环境变量通常是具有全局属性的
    环境变量通常具有全局属性,可以被子进程继承下去
    直接查看,发现没有结果,说明该环境变量根本不存在
    导出环境变量
    export MYENV=“hello world”
    再次运行程序,发现结果有了!说明:环境变量是可以被子进程继承下去的!想想为什么?
    实验
    如果只进行 MYENV=“helloworld” ,不调用export导出,在用我们的程序查看,会有什么结果?为什
    么?
    普通变量
    程序地址空间
    研究背景
    kernel 2.6.32
    32位平台
    程序地址空间回顾
    我们在讲C语言的时候,老师给大家画过这样的空间布局图
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    int main()

    printf("%s\\n", getenv(“PATH”));
    return 0;

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    int main()

    char * env = getenv(“MYENV”);
    if(env)
    printf("%s\\n", env);

    return 0;

    可是我们对他并不理解!
    来段代码感受一下
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    int g_val = 0;
    int main()

    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    perror(“fork”);
    return 0;

    else if(id == 0) //child
    输出
    我们发现,输出出来的变量值和地址是一模一样的,很好理解呀,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。可是将代码稍加改动:
    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!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
    printf(“child[%d]: %d : %p\\n”, getpid(), g_val, &g_val);
    else //parent
    printf(“parent[%d]: %d : %p\\n”, getpid(), g_val, &g_val);

    sleep(1);
    return 0;

    //与环境相关,观察现象即可
    parent[2995]: 0 : 0x80497d8
    child[2996]: 0 : 0x80497d8
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    int g_val = 0;
    int main()

    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    perror(“fork”);
    return 0;

    else if(id == 0) //child,子进程肯定先跑完,也就是子进程先修改,完成之后,父进程再读取
    g_val=100;
    printf(“child[%d]: %d : %p\\n”, getpid(), g_val, &g_val);
    else //parent
    sleep(3);
    printf(“parent[%d]: %d : %p\\n”, getpid(), g_val, &g_val);

    sleep(1);
    return 0;

    //与环境相关,观察现象即可
    child[3046]: 100 : 0x80497e8
    parent[3045]: 0 : 0x80497e8
    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 。
    进程地址空间
    所以之前说‘程序的地址空间’是不准确的,准确的应该说成 进程地址空间 ,那该如何理解呢?看图:
    &
    说明:
    上面的图就足矣说名问题,同一个变量,地址相同,其实是虚拟地址相同,内容不同其实是被映射到了
    不同的物理地址!
    Linux2.6内核进程调度队列-选学
    上图是Linux2.6内核中进程队列的数据结构,之间关系也已经给大家画出来,方便大家理解
    一个CPU拥有一个runqueue
    如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题
    优先级
    普通优先级:100~139(我们都是普通的优先级,想想nice值的取值范围,可与之对应!)
    实时优先级:0~99(不关心)
    活动队列
    时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列
    nr_active: 总共有多少个运行状态的进程
    queue[140]: 一个元素就是一个进程队列,相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以,数组下
    标就是优先级!
    从该结构中,选择一个最合适的进程,过程是怎么的呢?
  13. 从0下表开始遍历queue[140]
  14. 找到第一个非空队列,该队列必定为优先级最高的队列
  15. 拿到选中队列的第一个进程,开始运行,调度完成!
  16. 遍历queue[140]时间复杂度是常数!但还是太低效了!
    bitmap[5]:一共140个优先级,一共140个进程队列,为了提高查找非空队列的效率,就可以用5*32个
    比特位表示队列是否为空,这样,便可以大大提高查找效率!
    过期队列
    过期队列和活动队列结构一模一样
    过期队列上放置的进程,都是时间片耗尽的进程
    当活动队列上的进程都被处理完毕之后,对过期队列的进程进行时间片重新计算
    active指针和expired指针
    active指针永远指向活动队列
    expired指针永远指向过期队列
    可是活动队列上的进程会越来越少,过期队列上的进程会越来越多,因为进程时间片到期时一直都存在
    的。
    没关系,在合适的时候,只要能够交换active指针和expired指针的内容,就相当于有具有了一批新的活
    动进程!
    总结
    在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数,不随着进程增多而导致时间成本增
    加,我们称之为进程调度O(1)算法!

以上是关于Linux进程概念的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Linux 系统编程 -进程概念篇

.NET异步和多线程系列

Linux从青铜到王者第六篇:Linux进程概念第二篇

Linux进程概念篇

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

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