Linux_进程相关概念

冯诺伊曼体系

我们现在常见的计算机,如笔记本,我们不常见的,如服务器,他们都遵循着冯诺依曼体系

截至到目前为止,我们所认识到的所有计算机,都是由一个个硬件组成

输入单元:包括键盘,鼠标,扫描仪,等等.
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

关于冯诺依曼我们要注意到

这里的存储是指的内存
不考虑缓存的情况下,这里的cpu只能对内存进行读写,不能访问外设
外设要输入输出数据,也只能写入内存或从内存中读取
总而言之,所有的设备都只能和内存直接打交道

操作系统

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(基础管理,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)

设计操作系统的目的

首先我们从三个问题入手来了解设计操作系统的目的

1.操作系统是什么

根据上述概念我们得知,OS就是一款针对软硬件资源进行管理工作的软件

2.为什么要有操作系统

操作系统对下:管理好软硬件资源.对上:对于普通用户来说,它为用户提供了良好的运行环境,而对于程序员来说,为期提供了各种基本功能

3.操作系统如何管理

举个例子:假设学校的校长要统计学校的人数,校长不会直接去挨个去数学生的人数,而是会召集各个辅导员让辅导员统计各班的学生最后汇总交给校长

1.管理者和被管理者并不会直接打交道

2.如何管理你呢? 对你做出各种决策,决策是要有依据的(你的属性)

3.管理者与被管理者并不打交道,那么校长是如何知道你的? ->辅导员

管理者与被管理者并不打交道–决策的执行者->辅导员

系统调用和库函数的概念

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,对用户的要求也比较高,所以,有心的开发者可以对部分系统调用进行适当的封装,从而形成了库,有了库,就很有利于更上层的用户,或者开发者进行二次开发

进程(重点)

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

但是上述的观点适用于任何操作系统的进程描述,但也比较片面.

我们先想一个问题,操作系统中可不可能存在大量的进程? 是可以的,那么进程都是由操作系统管理的吗? 当然,是必须的

那么操作系统是如何管理进程的呢? 先描述,再组织

操作系统是如何描述进程?

任何进程在形成的时候,操作系统都要为其创建PCB(进程控制块),OS上面PCB就是一个结构体->struct PCB{//进程的所有属性!}

而在Linux中,PCB->task_struct{//进程的所有属性!}

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。

进程 VS 程序

曾经我们启动的所有程序,本质都是在系统上面创建进程

有了进程控制块,所有的进程管理任务,与进程对应的程序毫无关系!!!与进程对应的内核创建的该进程的PCB强相关!

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.
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

查看进程

1.在Linux中我们如果想查看进程可以通过/proc系统文件查看

比如所:如果想获取PID为1的进程信息,则直接查看/proc/1这个文件夹

2. 还可以通过ps这种用户级工具来获取

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main()
{while(1){sleep(1);}return 0;
}

我们将这段代码在Linux环境运行起来,然后用ps来获取这段进程的信息

通过系统调用获取进程标示符

通过上图我们可知:

进程id(PID)

父进程(PPID)

操作系统给了们库函数可以去获取当前进程的PID和PPID

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;
int main()
{cout<<"PID: "<<getpid()<<endl;cout<<"PPID "<<getppid()<<endl;while(1){sleep(1);//为了让程序一直运行,便于观察进程信息}return 0;
}

通过系统调用创建进程-fork初识

浅谈fork函数

先来看一段代码来了解一下fork

  1 #include<iostream>2 #include<unistd.h>3 using namespace std;4 int main()5 {6   fork();7   cout<<"hello proc "<<getpid()<<"hello parent"<<getppid()<<endl;8   sleep(1);                                                                                                                  9     return 0;10 }

运行后我们发现,明明执行输出语句只有一句,而显示器上却打印了两句,这是上面原因?

其实fork是创建了一个子进程,其返回值有两个,而一般我们调用fork函数之后通常会用if分流

通过上述代码我们知道,fork函数有两个返回值,返回值为0时说明是子进程,当返回值大于0是父进程

如何理解fork创建子进程?

我们创建子进程,就是为了和父进程干一样的事?

如果是干一样的事,那么是没有意义的,我们在上文讲过,一般还是要通过if-else分流来让父子进程来完成不同的工作

fork之后,父子进程谁先运行?

不一定!,还是要取决于调度器,先调度谁,有时父进程先执行,有时,子进程先执行

进程的状态

先看看Linux内核源码怎么说

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源码的定义:

/*
* 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 */
};

进程的状态信息保在哪里? 毫无疑问依旧在task_struct(PCB)当中

进程状态的意义:方便OS快速判断进程,完成特定的功能,比如调度,本质上是一种分类!

R状态

R状态就是运行状态,但是在这里要注意的是,运行状态它不一定占有有CPU,也千万不要认为,进程只会等待CPU资源!!!

所谓的进程,在运行的时候,有可能会因为运行需要,可以在不同的队列里,在不同的队列里所处的状态时不一样的

S/D状态

S/D状态都可以称之为睡眠状态,只是处于D状态的进程是不可被中断的,在D状态中进程一般会等待IO的结束

x状态

X状态就是死亡状态,这个状态只是一个返回状态,它不会在任务列表里看到这个状态

ps:进程死亡后操作系统会回收进程资源,回收进程资源=进程相关的数据结构+代码和数据

查看进程状态

Z(zombie)-僵尸进程

僵尸进程是一个比较特殊的状态.当进程退出且父进程没有读取到子进程退出的返回代码时,就会产生僵尸进程
僵尸进程会始终保持在进程表中,并且会一直等待父进程读取退出的进程码
所以,只要子进程退出,父进程还在运行,但父进程没有读取到子进程的状态,子进程会进入僵尸状态

举个例子:

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

孤儿进程

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。

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

为什么会有优先级? 资源太少了! 本质是分配资源的一种方式!

查看优先级

在Linux/Unix中查看优先级一般用ps -l命令则会输出以下几个内容:

我们很容易注意到其中几个重要信息,如下:

UID:代表执行者身份
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

补充:nice值为什么是一个相对较小的范围呢?

优先级再怎么设置,也只能是一种相对的优先级,不能出现绝对的优先级,否则就会出现很严重的进程“饥饿问题”

并且从调度器的角度出发,调度器要较为均衡的让每个进程享受到CPU资源
=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

补充:nice值为什么是一个相对较小的范围呢?

优先级再怎么设置,也只能是一种相对的优先级,不能出现绝对的优先级,否则就会出现很严重的进程“饥饿问题”

并且从调度器的角度出发,调度器要较为均衡的让每个进程享受到CPU资源