【Linux】进程——基础概念【上篇】
时间：2024-04-09 19:36:00 来源：网络cs 作者：胡椒 栏目：培训机构 阅读：
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一， 冯* 诺依曼体系结构
1，存储结构
编辑
二， 操作系统
1，概念
2，设计OS的目的
3，定位
4，如何理解 "管理"
5， 总结
三，进程
1. 概念
那么如何区分进程 & 程序？
2. PCB —— 描述进程
3. 组织进程
补充： cwd
4. task_struct ——PCB
(1) PID——标识符
5.父子进程
补充： fork()函数
fork函数——if分流
父子进程——各自优先级
6. 进程状态【Linux操作系统】
1. 新建：
2. 运行状态：
3. 阻塞：
4. 挂起：
6. liunx内核中的进程状态
(1) S睡眠状态（sleeping):
(2) R运行状态（running）:
(3) D磁盘休眠状态（Disk sleep）：
(4) T停止状态（stopped）：
T 区别于 S：
(5) X死亡状态（dead）：
(6) Z僵尸状态：
僵尸进程的危害
(7) 孤儿进程
7. 进程优先级
修改优先级
一， 冯* 诺依曼体系结构
1，存储结构
我们知道一个程序的执行速度，需要数据的输入输出。那么如果CPU直接与输入设备进行交互，那么会是这样的情况，输入设备输入10s的数据，CPU处理花了1ms，然后输出又花了10s，这样会导致机器性能很差；
而冯洛依曼想到了用内存与CPU打交道，这样就变成了4秒的数据输入，1ms的处理，4秒的输出变相的提高了计算机效率。
举一个例子：我与一个老表进行微信交流。他们之间的数据流动流程图，如下：
二， 操作系统
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： 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）
2，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
3，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
4，如何理解 "管理"
管理步骤： （1.） 描述被管理对象 （2.） 组织被管理对象
关于操作系统，银行例子：
5， 总结
操作系统就是给用户提供一个安全，稳定，简单的执行环境。
1. 操作系统管理：先描述，再组织
2. 操作系统对外服务，是通过提供：系统调用接口
三，进程
1. 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。
（其实，我们启动一个软件，本质上是创建一个进程; 并且在linux中输入一个命令，在系统层面创建了一个进程）
那么如何区分进程 & 程序？
问： 一个系统中能存在大量进程吗？ 答案是：可以的 ；
当大量进程进入内存，CPU需要对进程优先级进行排序，而它做不到 ，它只能读数据，那么这个时候就需要对进程进行管理，那么我们如何创建进程？
1. 先描述 （通过结构体（PCB），描述进程属性块） 2. 再组织 (通过数据结构，如链表，顺序表，红黑树等，将进程组织起来)
那么我们开始来管理进程：
2. PCB —— 描述进程
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 ，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。在windows中，PCB就是一个表示进程模块的结构体；
在Linux中，PCB的具体是 struct task_struct{......// 进程的所有属性}
3. 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。
那我们如何查看一个进程？
（1）. 我们制作一个死循环程序，然后执行程序。
（2）再打开另一个窗口查看进程。
指令：ps axj | grep "需要查看的程序"
回到死循环程序，我们通过ctrl + c退出死循环程序，再次检测可以发现，死循环进程消失。
同样的我们可以通过输入top命令，而这就是Linux下的任务管理器
补充： cwd
输入 ls /proc // 功能是：通过文件形式来展示进程
我们随便进入一个进程，查看里面文件属性，这里就有我们要找的cwd文件：
转成详细页：ls /proc/13712 // 13712是Test进程的PID
那这些PPID，PID是什么玩意儿，下面我们会进行分析。
4. task_struct ——PCB
前面我们可以看到有这些类
标示符 （PID）: 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。（权限决定能与不能，优先级是能后的顺序）程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。（所以程序计数器是不断被修改的）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。（可以通过PCB找到进程中的数据）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
(1) PID——标识符
功能： 标示符 （PID）: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
那么我们怎么在main函数中获取特定的进程的PID呢？
getpid() // 获取本进程PID
getppid() // 获取父进程PID
需要包含系统函数头文件： #include <sys/types.h>
我们在源码中，运用getpid()函数，获取本程序的PID
结果如图：
这里除了 在程序运行时ctrl + c可以终止进程；也可以通过 输入命令 kill -9 PID 结束进程。 这里不对kill进行讲解。
5.父子进程
补充： fork()函数
功能：在fork函数调用处，创建一个子进程独立于父进程，fork之后代码父子共享。
返回值：1. 在父进程中返回子进程的PID； 2. 在子进程返回 0 ； 3. 失败返回 -1
问：为啥会有两个返回值呢？
答：fork()函数中，父子进程各自执行自己的return语句
fork函数——if分流
我们知道父子进程公用，fork函数之后的代码。可父子进程大多都是运行不同的代码，那我们如何进行分开呢？
利用fork的返回值进行if 分流：
id 在父进程里面是 子进程的PID； 在子进程里面是 0 。
关于fork函数内部逻辑：
创建一个进程，内部属性以父进程内部属性为模板。
父子进程——各自优先级
问： 父子进程中，先执行父进程，再执行子进程吗？
不一定
原因：CPU可能运行一个父进程10ms后，先不执行了，再次入运行队列，而这时子进程就在执行。关于谁先运行，不一定，这个取决于操作系统的调度器决定。
6. 进程状态【Linux操作系统】
1. 新建：
字面意思。 就是给一个程序创建有一个进程。
2. 运行状态：
task_struct在运行队列中开始排队时，就是运行状态。
3. 阻塞：
等待非CPU资源，叫做阻塞状态。
比如：我们进行scanf / cin 进行键盘输入时，在等待键盘数据录入，这就是一个阻塞状态。
4. 挂起：
当内存不足时，OS适当地置换进程的代码和数据到磁盘，此时进程叫做挂起状态。
6. liunx内核中的进程状态
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。）
(1) 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——可以通过kill -2 指令，中断S，为T状态）
对应阻塞状态
输入： while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep 运行文件名 | grep -v grep ; sleep 1; done // 可查看最新的进程运行状况，周期为1秒
(2) 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。
以上面代码为例，将cout代码注释掉，这样就不在占用输出设备资源了，则一直都在R状态。
细节：我们发现状态栏中有S+，R+ 其中"+"又是什么意思呢？ “+”这里的含义是一个前台进程，其结果会占用我们与bush的聊天界面，我们无法输入指令，可以ctrl + c 退出；同理，没有“+”的状态为后台进程，不会占用聊天框，我们可以继续输入指令。 但启动程序时要 ./程序 &，它会返回其PID，不用时kill -9 PID 杀死即可。
(3) D磁盘休眠状态（Disk sleep）：
有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep）——深度睡眠，在这个状态的进程通常会等待IO的结束。（不可被被动中断，kill都不能杀掉，除非拔电源）
(4) 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。（比如：gdb调试）
kill -19 // 暂停进程
kill -18 // 继续进程
T 区别于 S：
睡眠进程是等待非CPU资源， 对应的是阻塞状态。暂停状态，原先是运行状态，没有等待资源，仅仅是暂停了。
(5) 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.(当大量进程结束时，操作系统忙不过来，那这时进程就会标记为X进程，随时准备被回收)
(6) Z僵尸状态：
一个进程已经退出，但还不能被OS回收，处于一个等待被检测的状态，叫做僵尸状态。
那为啥要有这种状态？ 为了状态保持，让父进程或者OS来检测。 （所谓的保持：指代码和数据被回收了，进程的PCB还保留着。）
僵尸进程的危害
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
(7) 孤儿进程
概念：
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
我们简单创建一个父进程先退出，子进程后退出的场景。发现：
7. 进程优先级
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。
查看优先级，输入：
ps -al // 会显示机器所以进程
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CPU执行 NI ：代表这个进程的nice值， 优先级的修正值，范围是-20到19，共40个级别。（每次设置nice值时，PRI都是默认值一般80）
Linux优先级具体做法：
优先级 = 老的优先级（PRI） + nice值(NI)
修改优先级
输入： top 指令； 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值
有时需要提高权限，sudo一下即可（前提是：设置过信任用户）
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。 进程并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。 进程并发: 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。
结语
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