对进程的一些总结

原创已于 2022-09-19 17:18:05 修改

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于 2021-06-28 16:05:23 首次发布

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进程
进程的五种状态
- 挂起态
详解进程状态
工作进程 vs 守护进程
僵尸进程 vs 孤儿进程

进程

进程是对正在运行中的程序的一个抽象。进程是动态的概念。

比喻：做蛋糕的食谱就是程序、做蛋糕的人就是 CPU、而做蛋糕的各种原料都是输入数据。进程就是科学家阅读食谱、取来各种原料以及烘焙蛋糕等一系例了动作的总和。

进程内存空间布局

在这里插入图片描述

PCB

进程控制块PCB是进程存在的唯一标志，使得一个不能独立运行的程序成为一个能独立运行的进程
为什么说PCB是进程存在的唯一标志？
证明：

当进程被调度时
要从该进程的PCB中查出其现行状态及优先级；要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据其PCB中的程序和数据的内存始址，找到其程序和数据；
进程在执行过程中
当需要和与之合作的进程实现同步，通信或者访问文件时，也都需要访问PCB；
当进程暂停执行时
也需要将其断点的处理机环境保存在PCB中。

可见在进程的整个生命期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，所以说PCB是进程存在的唯一标志。

进程上下文切换

在这里插入图片描述
进程a切换为进程b的过程如下：
1.保存进程a的当前状态，包括程序计数器，寄存器，代码段，数据段等
2.更新PCB的信息，将a进程的状态有运行态修改为阻塞态，然后加入阻塞队列
3.更新b进程的PCB信息，从就绪转为运行状态，cpu运行b进程

进程的五种状态

五态：

创建状态：进程正在被创建时的状态，os为进程分配资源、初始化PCB；
就绪态，就绪态状态下进程是可运行的，但此时又有其他进程正在运行，所以当前进程不得不等待，此时的等待状态就是就绪状态。
运行态，进程正占用 CPU 时间片
阻塞态，除非某种外部事件发生，否则进程不能运行
结束状态：进程运行完毕，正在从系统中撤销的状态；os会回收进程拥有的资源

进程状态的切换时机
在这里插入图片描述

举例理解：
现在我们写了如下一段代码，然后编译成可执行文件hello-name
在这里插入图片描述
在shell下执行./hello-name时，进程状态会发生如下变化：

挂起态

还有一个状态叫挂起状态

什么是挂起状态？
挂起态和阻塞态唯一的区别就是：阻塞态的进程在内存中，挂起态的进程不在硬盘中
由于虚拟内存的原因，进程使用的空间可能并没有映射到物理内存，而是在硬盘上，这时阻塞的进程就会出现挂起状态。

即：进程不在内存中的等待状态即为挂起状态

挂起状态可以分为两种：

阻塞挂起状态：进程在外存（硬盘）等待某个事件的出现则进入阻塞状态
就绪挂起状态：进程在外存（硬盘），但只要进入内存，就进入就绪状态

这两种挂起状态加上前面的五种状态，就变成了七种状态变迁，见如下图：

在这里插入图片描述

详解进程状态

进程的创建

创建进程的过程如下：

为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的 PCB，PCB 是有限的，若申请失败则创建失败；
为进程分配资源，此处如果资源不足，进程就会进入等待状态，以等待资源；
初始化 PCB；
如果进程的调度队列能够接纳新进程，那就将新进程插入到就绪队列，等待被调度运行；

哪些情况下会创建进程

系统初始化（init）
正在运行的程序执行了创建进程的系统调用（比如 fork）
用户请求创建一个新进程
初始化一个批处理工作

补充:
操作系统允许一个进程创建另一个进程，而且允许子进程继承父进程所拥有的资源，
当子进程被终止时，其在父进程处继承的资源会还给父进程。
同时，终止父进程时同时也会终止其所有的子进程。

fork系统调用

在UNIX系统中，只有一个系统调用可以用来创建新进程：fork。
这个系统调用会创建一个与调用进程相同的副本。

当fork刚刚完成时，两个进程的内存、寄存器、程序计数器等状态都完全—致;但它们是完全独立的两个进程，拥有不同的PID与虚拟内存空间，在fork完成后它们会各自独立地执行，互不干扰。

子进程接着执行execve系统调用以修改其内存映射并运行一个新的程序。

int main(int argc, char *argv[])
7 {
8 printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
9 int rc = fork();
10 if (rc < 0) { // fork failed; exit
11 fprintf(stderr, "fork failed\n");
12 exit(1);
13 } else if (rc == 0) { // child (new process)
14 printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
15 } else { // parent goes down this path (main)
16 printf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n",
17 rc, (int) getpid());
18 }
19 return 0;
20 }

运行这段程序（p1.c），将看到如下两种输出结果：

prompt> ./p1
hello world (pid:29146)
hello, I am parent of 29147 (pid:29146)
hello, I am child (pid:29147)
prompt>

prompt> ./p1
hello world (pid:29146)
hello, I am child (pid:29147)
hello, I am parent of 29147 (pid:29146)
prompt>

可以看到，hello world 只会输出一次，说明子进程不是从main开始执行。而是和父进程一样从fork返回处往下执行。

父子进程从fork()返回的值是不同的：
父进程获得的返回值是新创建子进程的PID
而子进程获得的返回值是0

然后两个进程被cpu调度的顺序也不一定。可能子进程先执行也可能父进程先执行。

进程的阻塞和就绪

进程的阻塞和唤醒(唤醒之后进入就绪态)是一对原语，必须成对使用

阻塞进程

当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用阻塞语句把自己阻塞等待。而一旦被阻塞等待，处于阻塞状态的进程是绝对不可能自己叫醒自己的。它只能由另一个进程唤醒。

阻塞进程的过程如下：

找到被阻塞进程的 PCB；
如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行；
将该 PCB 插入到阻塞队列中去；

唤醒进程
当该进程所期待的事件出现时，发现者进程用唤醒语句叫醒它。
过程如下：

在该事件的阻塞队列中找到相应进程的 PCB；
将其从阻塞队列中移出，并置其状态为就绪状态；
把该 PCB 插入到就绪队列中，等待调度程序调度；

进程的终止

终止进程的过程如下：

查找需要终止的进程的 PCB；
如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
如果其还有子进程，则应将其所有子进程终止；
将该进程所拥有的全部资源都归还给父进程或操作系统；
将其从 PCB 所在队列中删除；

进程终止方式

正常退出(exit，自愿的)
错误退出(自愿的)
系统错误(非自愿的)
被其他进程杀死(kill，非自愿的)

工作进程 vs 守护进程

工作进程
它会完成这个程序需要完成的业务操作。如果用户线程全部结束了，意味着程序需要完成的业务操作已经结束了，系统可以退出了
守护进程
守护进程是一种特殊的进程，在后台默默地完成一些系统性的服务，比如垃圾回收线程、JIT线程都是守护线程。

僵尸进程 vs 孤儿进程

正常情况下：
当一个子进程完成它的工作并退出之后，它的父进程会取得该子进程的状态信息，使之正常消失。
但如果发生异常导致父进程没能正常工作，就会产生孤儿进程或僵尸进程

即：
父进程在子进程之前死了——孤儿进程
子进程死了但是父进程不收集其状态信息——僵尸进程

僵尸进程
任何一个子进程(init除外)在exit之后，并非马上就消失掉的，此时父进程没有来得及获取子进程的状态信息，子进程的进程描述符仍然保存在系统中。此时的子进程被称之为僵尸进程，等待父进程处理之后则会消失掉。（这是每个子进程在结束时都要经过的阶段）。
孤儿进程
如果父进程在子进程结束之前就退出了，则子进程成为孤儿进程，孤儿进程将由init进程接管。init将会以父进程的身份对该孤儿进程进行处理使之消失。

僵尸进程和孤儿进程的危害
如果大量的产生僵死进程或孤儿进程，子进程的状态信息得不到释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，最终将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程

孤儿进程的解决办法：init进程代父进程收集子进程的状态信息

僵尸进程的解决办法：杀死父进程
僵死进程并不是问题的根源，罪魁祸首是产生出大量僵死进程的那个父进程。因此应该杀死这个父进程，让其不再产生子进程，同时init进程代父进程收集子进程的状态信息