进程概念（一）

一、冯诺依曼体系结构
二、操作系统（Operator System）
- 1、概念
- 2、设计OS的目的
- 3、定位--负责管理的软件
- - 如何理解“管理”
  - 小结
- 4、系统调用和库函数概念
三、进程
- 1、基本概念
- 2、描述进程-PCB
- - task_struct
  - task_struct中的内容分类
  - 小结
- 3、进程操作
- - 查看进程
  - 通过系统调用获取进程标识符
  - 通过系统调用创建进程--fork()函数接口
- 4、进程状态
- - Linux源码对进程状态的描述
  - 进程状态查看
  - 僵尸进程
  - - 概念
    - 僵尸进程的模拟场景
    - 僵尸进程的危害
  - 孤儿进程
  - - 概念
    - 孤儿进程的模拟实现
- 5、进程优先级
- - 基本概念
  - PRI&NI
  - 查看进程优先级的命令
  - 修改优先级的命令
四、其他概念
- 竞争性
- 独立性
- 并行
- 并发

一、冯诺依曼体系结构

在正式介绍Linux进程之前，我们先了解一下冯诺依曼体系结构。
冯诺依曼体系结构是指所有的设备都只能直接和内存打交道，下图中的存储器指的就是内存。
具体来说，一方面，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)；另一方面，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。

我们所熟知的计算机，以及不常见的服务器，大都遵循冯诺依曼体系。由于计算机都是由一个个硬件组件组成，其中：
·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
举个例子，我们使用qq和朋友聊天时，数据的流动为：键盘输入->磁盘接收到内存->通过CPU处理后返回给磁盘->输出到网卡 – 数据通过网络 – 网卡输入->磁盘接收到内存->通过CPU处理后返回给磁盘->输出到显示器.如下图所示：

二、操作系统（Operator System）

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：1.内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）2.其他程序（例如函数库，shell程序等等）。
如果要用一句话概括操作系统的话，那就是操作系统是管理软硬件的软件。

2、设计OS的目的

操作系统的作用之一就是方便用户使用。对上，操作系统可以给用户、开发人员、各种使用者提供良好的运行环境；对下，操作系统可以管理好相关的软硬件资源，并充分高效地利用软硬件资源。

3、定位–负责管理的软件

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款负责管理的软件。

如何理解“管理”

在学校中，我们可以认为校长是管理者，学生是被管理者，而这之间的辅导员又是什么身份呢？准确来说，辅导员可以理解为执行者。
可以说，学生入学后，学生的信息便作为数据上传到学校的系统中。一般情况下，与校长见面是少之又少，而与辅导员却可能是常常打交道。校长根据学生的信息数据做出相应安排，对辅导员下达命令后，辅导员执行相关命令，并反映到学生身上，这便是管理的流程。那么学生的数据在计算机中是怎么存储的呢？很容易想到的就是结构体，而管理其的方式可以是用链表串起来；对学生数据的修改就是对链表的增删查改。
这里有一个既定事实，那就是管理者与被管理者并不会直接见面。对学生管理数据的过程，就可以称为对学生的描述。
那么对于管理，我们可以概括为一句话：先描述，再组织。

小结

计算机对于硬件的管理是：1、用struct描述起来。2、用链表或其他更高效的数据结构组织起来。

4、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。比如，以命令行的形式于操作系统进行交换，当这种方式的入门要求相对较高，于是有了库函数。
·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。比如我们C/C++以及windows系统的图形界面。

三、进程

在认识进程之前，首先想一想操作系统是怎么管理进行进程管理的呢？那便是先把进程描述起来，再把进程组织起来。

1、基本概念

在课本上，进程的概念是：程序的一个执行实例，或者说正在执行的程序等。
从内核的观点来看：进程是担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

2、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

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中的内容分类

·标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。（PID）
·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

小结

（i）什么是PCB？
PCB是进程控制块，也就是用来描述进程的属性集合。
（ii）为什么要有PCB？
操作系统要进行管理工作，就需要PCB来进行对进程的描述。
（iii）怎么查看PCB（获取PCB的内容）？
可以通过getpid()和getppid()两个函数接口获取进的pid以及其父进程的pid。并通过/proc命令查看进程信息
比如：要获取pid为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

3、进程操作

查看进程

上述的proc就是一种查看进程的方法。其次，大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具获取。

通过系统调用获取进程标识符

·进程id（PID）
·父进程id（PPID）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>int main()
{while(1){printf("pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(1);}return 0;
}

通过系统调用创建进程–fork()函数接口

我们先通过man命令来认识fork这个函数接口：

需要注意的是：fork函数的返回值有两个，一个返回值标识父进程，另一个返回值标识子进程。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）我们通过下面的程序来认识一下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0)//子进程{while(1){printf("I am a child,pid:%d,ppid:%d,id:%d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(1);}}else if(id > 0)//父进程{while(1){printf("I am the father,pid:%d,ppid:%d,id:%d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(1);}}else{//error}return 0;
}

我们可以用下面这条指令来查看进程的相关信息：

ps axj | head -1 && ps axj | grep proc

这里可能会很奇怪为什么一个函数的返回值可以同时有两个？这个问题将在后面的进程地址空间部分介绍。

4、进程状态

Linux源码对进程状态的描述

/*
* 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 */
};

·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。
·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。
但实际上我们看到进程的状态信息后会带上一个+号：

这个+号实际上是进程在前台运行，在该进程运行的时候像ls，mv这样的指令是不能运行的，但是进程可以用ctrl + c终止，这就是前台进程。
而不带+号的进程是后台进程，这种进程运行状态下可以使用ls指令，但此时无法用ctrl + c的方式终止进程

这个时候就只能用kill指令杀死进程，终止其进程的运行。

进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

僵尸进程

概念

·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

僵尸进程的模拟场景

我们用一个程序来模拟实现僵尸进程：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>int main()
{/* while(1){printf("pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(1);}*/pid_t id = fork();if(id == 0)//子进程{while(1){printf("I am a child,and I will eixt.pid:%d,ppid:%d,id:%d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(1);exit(-1);}}else if(id > 0){while(1){printf("I am the father.and I will sleep for 30 s.pid:%d,ppid:%d,id:%d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(30);}}else{//error}return 0;
}

僵尸进程的危害

·进程的退出状态必须被维持下去，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。
·也就是说，僵尸状态下一直不退出，那么PCB就要一直维护该进程的信息。
·而一个父进程创建了多个子进程但是不回收，那么就会导致内存的浪费，因为数据结构对象本身就要占用内存，即在内存的某个位置进行开辟空间！
·这样就会造成内存泄露，其危害十分巨大。

孤儿进程

前面几种普通的进程状态介绍完后，下面介绍一个特殊的进程：孤儿进程。

概念

父进程提前退出，而子进程仍未退出，此时子进程就会被init（1号进程）收养，就成了孤儿进程。

孤儿进程的模拟实现

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>int main()
{/* while(1){printf("pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());sleep(1);}*/pid_t id = fork();if(id == 0)//子进程{while(1){printf("I am a child.pid:%d,ppid:%d,id:%d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(1);}}else if(id > 0)//父进程{while(1){printf("I am the father.and I will eixt.pid:%d,ppid:%d,id:%d\n",getpid(),getppid(),id);sleep(5);exit(-1);}}else{//error}return 0;
}

孤儿进程和僵尸进程相比不会造成内存泄露，因为其被1号进程接收。

5、进程优先级

基本概念

·进程优先级的概念就是cpu资源分配的先后顺序，也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。

PRI&NI

通过ps -l指令我们可以查看进程：

其中有几个重要信息：
·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
这其中，PRI就是进程的优先级，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。而NI就是nice值，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，反之则会越慢执行。
其中，nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。而PRI的默认值为80，其取值范围是60至99。
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。

查看进程优先级的命令

ps -l

修改优先级的命令

用top命令更改已存在进程的nice：

进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

输入NI后每次PRI都是从默认值80进行更改，这样才能够保证PRI的取值保留在60-99的范围内。

四、其他概念

竞争性

·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。既定事实：进程与资源之间，进程永远占多数。

独立性

·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（一般是在多核系统下）父子进程代码共享，而数据各自独占一份就是这个道理。

并行

·并行: 多个进程在多个CPU（多核）下分别，同时进行运行，这称之为并行

并发

·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。（我们上面所介绍的常见基本都是并发）

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