Linux【进程】

✨前言：本篇文章会对Linux中进程的基本概念进行讲解，以及对进程状态和进程优先级的概念进行讲解和实操演示

🏞️1.冯诺依曼体系结构

对于我们生活中常见的计算机，如笔记本. 还有我们不常见的计算机如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系结构.

截止目前：我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组成包括：

• 输入设备：键盘、话筒、摄像头、磁盘、网卡、鼠标、扫描仪等
• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
• 输出单元：显示器、音响、打印机等

关于冯诺依曼体系结构，需要强调几点：

• 这里的存储器，是指内存
• 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)
• 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

即所有设备都只能直接和内存交互.

这里我们提出一个问题：为什么要有内存呢？

1.从技术角度：

在计算机的硬件中，cpu的运算速度 > 寄存器的速度 > L1~L3Cache三级缓存 > 内存 >> 外设(磁盘) >> 光盘磁带

数据角度：因为外设基本不和cpu直接交互，而是和内存交互，cpu也是如此，所以内存在我们看来，就是体系结构的一个大的缓存，用来适配cpu和外设速度不均的问题.

2.从成本角度：

寄存器成本 >> 内存 >> (磁盘)外设

🌁2.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（进程管理、文件管理、内存管理、驱动管理）
• 其他程序（例如函数库、shell程序等）

为什么需要操作系统呢？

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 为用户程序提供一个良好的执行环境

操作系统的定位：

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款搞管理的软件

计算机管理硬件的方法：

1. 先描述起来，用struct结构体
2. 再用链表或其他高效的数据结构组织起来

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
• 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

🌠3.进程

在上面，我们了解到操作系统是通过“先描述，再组织”来管理软硬件资源的，那么，操作系统是如何对进程进行管理的呢？

很简单：先把进程描述起来，再把进程组织起来.

3.1 进程基本概念

**进程基本概念：**对于进程的基本概念，在课本上是这样描述的：程序的一个执行实例，正在执行的程序等. 但站在内核的角度：进程就是担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体.

进程 = 可执行程序 + 该进程对应的内核数据结构

3.2 进程控制块-PCB

• 进程信息被放在一个叫做进程控制块的的数据结构中，可以理解为进程属性的集合
• 课本上之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是：

这只是Linux内核源码中进程控制块定义的一部分.

在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct.它是Linux内核中的一种数据结构，它会被装载到RAM（内存）中并且包含着进程的信息.

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[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

3.3 查看进程

进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看：

例如：要查看PID为1的进程的进程信息，可以查看/proc/1这个文件夹

大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取.

使用top命令

ps命令：

3.4 通过系统调用查看进程标识符

我们可以通过系统调用来获取进程的标识符（用来唯一的标识一个进程），我们可以写这样一段代码：

• 进程id：pid
• 父进程id：ppid

运行结果：

3.5 通过系统调用创建进程

我们可以使用系统调用fork来创建子进程：

1. 使用man fork认识fork：

   

2. fork有两个返回值（给子进程返回0，给父进程返回新建的子进程id）

3. 父子进程代码共享，数据各自开辟空间，采用写时拷贝

🌌4. 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，一个进程可以有多个状态.

下面的状态在linux内核源码中定义：

/*
* 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 */
};

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)
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
Z僵尸状态：一个死进程或“僵尸进程”，这是一个已经终止的子进程，但是它的父进程还没有清空它（父进程没有把子进程从进程表中删除）

4.1 进程状态查看

我们可以使用命令来查看进程的状态：

ps aux / ps ajx

接着，我们可以试着模拟这些进程状态的产生：

1. R状态（运行状态）

   

   使用ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 'mytest' | grep -v grep组合命令查看进程状态

   

2. S状态（可中断睡眠）

   

3. Z状态（僵尸状态）

   

   此时，子进程已经退出，但父进程没有没有等待子进程，子进程进入Z状态.

   

4.2 僵尸进程

• 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,后面讲）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），可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态
• 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
• 一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，就会造成内存资源的浪费

4.3 孤儿进程

父进程先退出，子进程就会变成“孤儿进程”，孤儿进程被1号init进程领养，由init进程回收.

🌿5. 进程优先级

5.1 基本概念

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先级
• 优先级高的进程有优先执行权利。配置进程优先级对多任务环境的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

在Linux或Unix系统中，用ps-l命令会类似输出以下几个内容：

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

5.2 PRI和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

5.3 查看进程优先级的命令

1. 使用top命令可以查看进程优先级

2. 使用top + r修改进程的nice值

   使用top：

按r：

输入要修改nice值的pid：这里以9949为例 修改nice为10：

修改完毕：