Linux进程概念

最新推荐文章于 2025-06-09 14:40:26 发布

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冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本，和不常见的计算机，如服务器，大部分都遵循冯诺依曼体系结构。我们所认识的计算机都是由一个个的硬件组成的。这些硬件包括：

输入单元：包括鼠标、键盘、扫描仪、写板等
中央处理器（CPU）：含有运算器和控制器
输出单元：显示器，打印机等

值得注意的是：

这里的存储器指的是内存，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（输入或输出设备）。因为CPU的速度太快，CPU和外设的速度差太多了，所以只能直接与内存打交道。
外设（输入输出设备）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，所有的设备只能直接和内存打交道。
硬盘属于外设（输入输出设备），可执行程序（文件）在硬盘上，进程是程序运行起来的。

对于冯诺依曼结构的理解，不能只停留在概念上，要深入到对软件数据流的理解上。例如，解释从你登录上QQ开始和朋友聊天，数据的流动过程。本篇博客主要从硬件上解释数据的流动过程：

对于我向某位朋友发送数据来说：输入设备（键盘）------->存储器------->CPU------->存储器------>输出设备（硬盘，网卡）

对接受信息的朋友来说：输入设备（网卡）------>存储器------>CPU------->存储器------>输出设备（显示器、硬盘）

再次理解操作系统

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，操作系统包括：

内核：进程管理，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

设计OS的目的

与硬件交互，管理所有的软硬件资源
为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

结合前面讲的例子理解https://blog.youkuaiyun.com/tangya3158613488/article/details/89147681

OS的定位

再整个计算机软硬件构架中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

总结

计算机管理硬件经典口诀：“先描述，再组织”

1.描述起来，用struct结构体

2.组织起来，用链表或其他高效的数据结构

系统调用和库函数

从开发的角度来看，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，供上层开发者使用，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，对用户的要求也比较高，所以，有心的开发者对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。
库函数是由系统建立的具有一定功能的函数的集合。库中存放函数的名称和对应的目标代码，以及连接过程中所需的重定位信息。用户也可以根据自己的需要建立自己的用户函数库。

接下来正式进入主题：进程

进程

基本概念

从用户角度：进程是程序的一个执行实例，正在执行的程序等。

从内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

进程描述-PCB（进程控制块）

为什么要有PCB？

描述一个进程需要知道进程信息，而进程信息放在一个叫做进程控制块的数据结构中，这个进程块就是PCB，即PCB是一种结构体。

PCB也可以理解为进程属性的集合。

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，它会被装在到RAM（内存）里并且包含着进程的信息。

task_struct内容分类（PCB有什么？）

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：程序计数器PC是CPU内部的一个寄存器，里面存的是当前正在执行的指令的下一条指令的地址，在程序执行的过程中，PC中值会自动加1。
内存指针：包括程序代码和进程相关的指针，还有和其他进程共享的内存块指针。
上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据，（跟进程切换有关，它的动态特性。中断的进程要保存，待下次继续运行）
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。

我们可以在内核源代码里找到进程，所有运行在系统里的进程都以tsak_struct链表的形式存在内核里

查看进程

1.使用 /proc系统文件夹查看进程

2.大多数进程信息同样可以通过使用top和ps这些用户级工具来获取

查看ProgressBar的进程情况。kill可以用于强制关闭进程

进程和程序的区别

程序存在硬盘上，进程是程序运行起来的。
程序是永存的，而进程是暂时的，是程序在数据集上的一次执行，有创建和撤销，存在是暂时的。
程序是静态的，进程是动态的，进程是竞争计算机资源的基本单位。
进程具有并发性，而程序没有并发性。
进程和程序并不是一一对应的：一个程序可对应多个进程，即多个进程可执行同一个程序，一个进程可以执行一个或几个程序。

通过系统调用获取进程标示符

进程id(PID)，通过getpid()函数来获得
父进程id（PPID），通过getppid()函数来获得

#include<stdio.h>
#include<sys/types/h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    printf("pid: %d\n",getpid());
    print("ppid: %d\n",getppid());
    sleep(2);
    return 0;
}

通过系统调用创建进程

通过运行man fork,可知：

fork函数的功能是从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。
#include<unistd.h>
pid_t fork(void)

返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1
父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写实拷贝）

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。一个进程可以有几个人状态（在Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。

R运行状态（runing）：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么在运行中，要么在运行队列里。任何一个R状态的进程不一定正在运行。
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，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）：这个状态只有一个返回状态，但你不会在列表里看到这个状态。

Z(zombie)僵尸进程

僵尸进程是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程没有读取子进程退出的返回代码是就会产生僵尸进程。
僵尸进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直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，子进程就会进入Z状态。

创建一个维持20秒的僵尸进程：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id > 0){
        printf("parent[%d] is sleeping...\n",getpid());
        sleep(20);
    }
    else{
        printf("child[%d] is begin Z...\n",getpid());
        sleep(5);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    return 0;
}

运行结果：先打印出父子进程的状态，5秒之后子进程退出，父进程一直睡眠20秒，在此期间，子进程处于Z状态。

僵尸进程的危害

进程的退出状态必须被维持下去，因为进程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。如果父进程一直不读取，那么子进程就会一直处于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。因为数据结构本身就要占用内存资源，例如C语言中定义一个结构变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间的。
因此，如果不及时回收就会造成内存泄漏。

孤儿进程

父进程如果提前退出，子进程就称为“孤儿进程”。
孤儿进程被1号init进程领养，当然要init进程回收。其实1号init就是操作系统

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    pid_t id=fork();
    if(id<0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id== 0){
        printf("I am child,pid: %d\n",getpid());
        sleep(10);
    }
    else{
        printf("I am parent,pid: %d\n",getpid());
        sleep(2);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

运行结果：立即打印结果后，父进程2秒后退出，子进程处于孤儿状态。

进程优先级

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的权利。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。
还有一个好处是：把进程运行到指定的CPU上，这样可以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。

查看系统进程

用ps -l命令

其中，我们可以看到几个重要信息：

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，即是父进程的代号。
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

这里重点介绍PRI和NI

PRI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。
NI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，将会得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice
这样的话，当nice值为负值的时候，那么该程序的优先级值将变小，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。

值得注意的是：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数据。

我们可以用top命令更改已存在的进程nice值

命令行输入top
进入top后按“r”,进入进程PID，然后输入nice值

进程的其他特性

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。
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。
并行性: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。
并发性: 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。