Linux多进程和多线程(一)-进程的概念和创建-优快云博客

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进程
进程的创建
- 并发和并行
- fork()
  - 父子进程执行不同的任务
  - 创建多个进程
进程的退出
- exit()和_exit()
  - exit()函数让当前进程退出,并且刷新缓冲区
  - _exit()
进程的等待
- wait()函数和 waitpid()函数
  - wait()函数
    - 创建⼀个⼦进程, 延时 3s 后退出, ⽗进程等待⼦进程退出
  - waitpid()函数
    - 函数原型
    - 函数参数
进程的替换
- 在 Linux 系统中提供了⼀组⽤于进程替换的替换，共有 6 个函数
- 示例:通过 execl 函数族执⾏ ls -l 命令

进程

进程的概念

进程（Process）是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。它是系统运行程序的最小单位，是资源分配和调度的基本单位。

进程的特点如下

进程是⼀个独⽴的可调度的活动, 由操作系统进⾏统⼀调度, 相应的任务会被调度到cpu 中进⾏执⾏
进程⼀旦产⽣，则需要分配相关资源，同时进程是资源分配的最⼩单位

进程和程序的区别

程序是静态的，它是⼀些保存在磁盘上的指令的有序集合，没有任何执⾏的概念
进程是⼀个动态的概念，它是程序执⾏的过程，包括了动态创建、调度和消亡的整个过程
并⾏执⾏ : 表示多个任务能够同时执⾏，依赖于物理的⽀持，⽐如 cpu是4核⼼，则可以同时执⾏4个任务
并发执⾏ : 在同⼀时间段有多个任务在同时执⾏，由操作系统调度算法来实现，⽐较典型的就是时间⽚轮转

LINUX进程管理

在 Linux 系统中管理进程使⽤树型管理⽅式

每个进程都需要与其他某⼀个进程建⽴⽗⼦关系, 对应的进程则叫做⽗进程
Linux 系统会为每个进程分配 id , 这个 id 作为当前进程的唯⼀标识, 当进程结束, 则会回收

进程的 id 与⽗进程的 id 分别可以通过 getpid() 与 getppid() 来获取

getpid()

#include <unistd.h>

pid_t getpid(void);

该函数用来获取当前进程的 id

getppid()

#include <unistd.h>

pid_t getppid(void);

该函数用来获取当前进程的⽗进程的 id

进程的地址空间

⼀旦进程建⽴之后, 系统则要为这个进程分配相应的资源, ⼀般系统会为每个进程分配 4G 的地址空间
4G 的进程地址空间主要分为两部分:
0 - 3G : ⽤户空间
3G - 4G ：内核空间
⽤户空间⼜具体分为如下区间

stack : 存放⾮静态的局部变量

heap : 动态申请的内存

.bss : 未初始化过的全局变量（包括初始化为 0 的, 未初始化过的静态变量 (包括初始化为 0)

.data : 初始化过并且值不为 0 的全局变量, 初始化过的不为 0 静态变量

.rodata : 只读变量（字符串之类）

.text : 程序⽂本段（包括函数，符号常量）

当⽤户进程需要通过内核获取资源时, 会切换到内核态运⾏, 这时当前进程会使⽤内核空间的资源⽤户需要切换到内核态运⾏时, 主要是通过系统调⽤

虚拟地址和物理地址

虚拟地址 : 程序运行时使用的地址, 由操作系统管理, 程序只能通过虚拟地址访问内存
物理地址 : 实际物理内存中存储数据的地址, 由硬件管理, 程序只能通过物理地址访问内存
虚拟地址和物理地址的转换关系由操作系统完成, 程序只能通过虚拟地址访问内存
虚拟地址空间和物理地址空间的映射关系由操作系统完成, 程序只能通过虚拟地址访问内存

在 cpu 中有⼀个硬件 MMU(内存管理单元) , 负责虚拟地址与物理地址的映射管理以
及虚拟地址访问
操作系统可以设置 MMU 中的映射内存段

在这里插入图片描述

在操作系统中使⽤虚拟地址空间主要是基于以下原因:
直接访问物理地址, 会导致地址空间没有隔离, 很容易导致数据被修改
通过虚拟地址空间可以实现每个进程地址空间都是独⽴的，操作系统会映射到不⽤的
物理地址区间，在访问时互不⼲扰.

进程状态管理

进程是动态过程，操作系统内核在管理整个动态过程时会使⽤了
状态机,

给不同时间节点设计⼀个状态，通过状态来确定当前的过程进度
在管理动态过程时，使⽤状态机是⼀种⾮常好的⽅式

进程的状态⼀般分为如下

运⾏态 (TASK_RUNNING) : 此时进程或者正在运⾏，或者准备运⾏, 就绪或者正在进⾏都属于运⾏态

睡眠态 () : 此时进程在等待⼀个事件的发⽣或某种系统资源

可中断的睡眠 (TASK_INTERRUPT) : 可以被信号唤醒或者等待事件或者资源就绪

不可中断的睡眠 (TASK_UNTERRUPT) : 只能等待特定的事件或者资源就绪

停⽌态 (TASK_STOPPED) : 进程暂停接受某种处理。例如：gdb 调试断点信息处理。

僵死态（TASK_ZOMBIE）：进程已经结束但是还没有释放进程资源

在这里插入图片描述

进程相关命令

ps

参数:

-e 显示所有进程
-f 显示进程详细信息
-l 显示进程详细信息，包括线程信息
-u 显示指定用户的进程
-aux 显示所有进程，包括其他用户的进程

ps -aux
ps -ef | grep " 进程名 "  # 查找进程

top

实时显示系统中进程的运行状态

top [-] [d delay] [q] [c] [S] [s] [i] [n] [b]

选项:

d : 改变显示的更新速度，或是在交谈式指令列 (interactive command) 按 s
q : 没有任何延迟的显示速度，如果使⽤者是有 superuser 的权限，则 top 将会以最⾼的优先序执⾏
c : 切换显示模式，共有两种模式，⼀是只显示执⾏档的名称，另⼀种是显示完整的路径与名称
S : 累积模式，会将⼰完成或消失的⼦进程 (dead child process) 的 CPU time 累积起来
s : 安全模式，将交谈式指令取消, 避免潜在的危机
i : 不显示任何闲置 (idle) 或⽆⽤ (zombie) 的进程
n : 更新的次数，完成后将会退出 top
b : 批次档模式，搭配 “n” 参数⼀起使⽤，可以⽤来将 top 的结果输出到档案内

top - 14:34:29 up 7 days, 18:51, 1 user, load average: 1.00, 0.95, 0.61

top：名称

14:34:29 ：系统当前时间

up 7 days, 14:30：系统以及运⾏的时间，和 uptime 命令相等

1 users：当前有 1 个⽤户在线

load average: 1.00, 0.95, 0.61：系统负载，即任务队列的平均⻓度。三个数值分别为 1 分钟、5 分钟、15 分钟前到现在的平均值。

Tasks: 290 total, 2 running, 287 sleeping, 0 stopped, 1 zombie

Tasks：任务，也就是进程

290 total：当前总共有 290 个任务，也就是 290 个进程

2 running：2 个进程正在运⾏

287 sleeping：263 个进程正在休眠

0 stopped：0 个停⽌的进程

1 zombie：1 个僵⼫进程

%Cpu(s): 51.0 us, 0.7 sy, 0.0 ni, 47.8 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.5 si, 0.0 st

%Cpu(s)：CPU 使⽤率

51.0 us：⽤户空间占⽤ CPU 时间的百分⽐（⼤部分进程都运⾏在⽤户态，通常都是希望⽤户空间 CPU 越⾼越好）

0.7 sy：内核空间占⽤ CPU 时间的百分⽐（Linux 内核态占⽤的 CPU 时间，系统 CPU 占⽤越⾼，表明系统某部分存在瓶颈。通常这个值越低越好）

0.0 ni：占⽤ CPU 时间的百分⽐（ni 是 nice 的缩写，进程⽤户态的优先级，如果调整过优先级，那么展示的就是调整过 nice 值的进程消耗掉的 CPU 时间，如果系统中没有进程被调整过 nice 值，那么 ni 就显示为 0）

47.8 id：空闲 CPU 占⽤率，等待进程运⾏

0.0 wa：等待输⼊输出的 CPU 时间百分⽐（CPU 的处理速度是很快的，磁盘 IO 操作是⾮常慢的。wa 表示 CPU 在等待 IO 操作完成所花费的时间。系统不应该花费⼤量的时间来等待 IO操作，否则就说明 IO 存在瓶颈）

0.0 hi：CPU 硬中断时间百分⽐（硬中断是硬盘、⽹卡等硬件设备发送给 CPU 的中断消息）

0.5 si：CPU 软中断时间百分⽐（软中断是由程序发出的中断）

0.0 st：被强制等待（involuntary wait）虚拟 CPU 的时间，此时 Hypervisor 在为另⼀个虚拟处理器服务。

MiB Mem : 3889.9 total, 366.0 free, 1535.2 used, 1988.6 buﬀ/cache

MiB Mem：内存

3889.9 total：物理内存总量

366.0 free：空闲内存量

1535.2 used：已使⽤的内存量

1988.6 buﬀ/cache：⽤作内核缓存的内存量

MiB Swap: 2048.0 total, 2035.2 free, 12.8 used. 2082.9 avail Mem

MiB Swap：交换空间（虚拟内存，当内存不⾜的时候，把⼀部分硬盘空间虚拟成内存使⽤）

2048.0 total：交换区总量

2035.2 free：空闲交换区总量

12.8 used：使⽤的交换区总量

2082.9 avail Mem：可⽤于启动⼀个新应⽤的内存（物理内存），和 free 不同，它计算的是可回收的 page cache 和 memory slab

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND

PID：进程 id

USER：进程所有者

PR：进程的优先级，越⼩优先级越⾼

NI：nice 值，负值表示⾼优先级，正值表示低优先级

VIRT：进程使⽤的虚拟内存，单位是 kb

RES：进程使⽤的物理内存，单位 kb

SHR：进程使⽤的共享内存，单位 kb

S：进程状态（S 表示休眠，R 表示正在运⾏， Z 表示僵死状态，N 表示该进程优先值为负数，I 表示空闲状态）

%CPU：进程占⽤ CPU 时间的百分⽐

%MEM：进程占⽤内存的百分⽐

TIME+：进程实际运⾏的时间

COMMAND：进程的名称