【Linux】进程轻松入门

一， 冯* 诺依曼体系结构

1，存储结构

     我们知道一个程序的执行速度，需要数据的输入输出。那么如果CPU直接与输入设备进行交互，那么会是这样的情况，输入设备输入10s的数据，CPU处理花了1ms，然后输出又花了10s，这样会导致机器性能很差；

而冯洛依曼想到了用内存与CPU打交道，这样就变成了4秒的数据输入，1ms的处理，4秒的输出变相的提高了计算机效率。

举一个例子：我与一个老表进行微信交流。他们之间的数据流动流程图，如下：

二， 操作系统

**1，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，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）

**2，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

**3，定位 **

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：
**一款纯正的“搞管理”的软件 **

**4，如何理解 "管理" **

管理步骤：

（1.）
描述被管理对象

（2.）
组织被管理对象

关于操作系统，银行例子：

5， 总结

操作系统就是给用户提供一个安全，稳定，简单的执行环境。

1. 操作系统管理：先描述，再组织

2. 操作系统对外服务，是通过提供：系统调用接口

三，进程

1. 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。

（其实，我们启动一个软件，本质上是创建一个进程; 并且在linux中输入一个命令，在系统层面创建了一个进程）

那么如何区分进程 & 程序？

问： 一个系统中能存在大量进程吗？ 答案是：可以的 ；

当大量进程进入内存，CPU需要对进程优先级进行排序，而它做不到 ，它只能读数据，那么这个时候就需要对进程进行管理，那么我们如何创建进程？

1.
先描述 （通过结构体（PCB），描述进程属性块）

2.
再组织 (通过数据结构，如链表，顺序表，红黑树等，将进程组织起来)

那么我们开始来管理进程：

2. PCB —— 描述进程

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

在windows中，PCB就是一个表示进程模块的结构体；

在Linux中，PCB的具体是 struct task_struct{......// 进程的所有属性}

**task_struct 是 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。

3. 组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

那我们如何查看一个进程？

（1）. 我们制作一个死循环程序，然后执行程序。

（2）再打开另一个窗口查看进程。

指令：ps axj | grep "需要查看的程序"

回到死循环程序，我们通过ctrl + c退出死循环程序，再次检测可以发现，死循环进程消失。

同样的我们可以通过输入top命令，而这就是Linux下的任务管理器

补充： cwd

输入 ls /proc // 功能是：通过文件形式来展示进程

我们随便进入一个进程，查看里面文件属性，这里就有我们要找的cwd文件：

转成详细页：ls /proc/13712 // 13712是Test进程的PID

那这些PPID，PID是什么玩意儿，下面我们会进行分析。

4. task_struct ——PCB

前面我们可以看到有这些类

• 标示符 （PID）: 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。（权限决定能与不能，优先级是能后的顺序）
• 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。（所以程序计数器是不断被修改的）
• 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。（可以通过PCB找到进程中的数据）
• 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

(1) PID——标识符

功能： 标示符 （PID）: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。

那么我们怎么在main函数中获取特定的进程的PID呢？

getpid() // 获取本进程PID

getppid() // 获取父进程PID

需要包含系统函数头文件： #include <sys/types.h>

我们在源码中，运用getpid()函数，获取本程序的PID

结果如图：

这里除了 在程序运行时ctrl + c可以终止进程；也可以通过 输入命令 kill -9 PID 结束进程。 这里不对kill进行讲解。

5.父子进程

补充： fork()函数

功能：在fork函数调用处，创建一个子进程独立于父进程，fork之后代码父子共享。

返回值：1. 在父进程中返回子进程的PID； 2. 在子进程返回 0 ； 3. 失败返回 -1

问：为啥会有两个返回值呢？

答：fork()函数中，父子进程各自执行自己的return语句

fork函数——if分流

我们知道父子进程公用，fork函数之后的代码。可父子进程大多都是运行不同的代码，那我们如何进行分开呢？

利用fork的返回值进行if 分流：

id 在父进程里面是 子进程的PID； 在子进程里面是 0 。

关于fork函数内部逻辑：

创建一个进程，内部属性以父进程内部属性为模板。

父子进程——各自优先级

问： 父子进程中，先执行父进程，再执行子进程吗？

不一定

原因：CPU可能运行一个父进程10ms后，先不执行了，再次入运行队列，而这时子进程就在执行。关于谁先运行，不一定，这个取决于操作系统的调度器决定。

6. 进程状态【Linux操作系统】

1. 新建：

字面意思。 就是给一个程序创建有一个进程。

2. 运行状态：

task_struct在运行队列中开始排队时，就是运行状态。

3. 阻塞：

等待非CPU资源，叫做阻塞状态。

比如：我们进行scanf / cin 进行键盘输入时，在等待键盘数据录入，这就是一个阻塞状态。

4. 挂起：

当内存不足时，OS适当地置换进程的代码和数据到磁盘，此时进程叫做挂起状态。

6. liunx内核中的进程状态

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状态（在Linux内核里，进程有时候也叫做任务。）

(1) 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——可以通过kill -2 指令，中断S，为T状态）

对应阻塞状态

输入： while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep 运行文件名 | grep -v grep ; sleep 1; done // 可查看最新的进程运行状况，周期为1秒

(2) 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。

以上面代码为例，将cout代码注释掉，这样就不在占用输出设备资源了，则一直都在R状态。

** 细节：我们发现状态栏中有S+，R+ 其中"+"**又是什么意思呢？ “+”这里的含义是一个前台进程，其结果会占用我们与bush的聊天界面，我们无法输入指令，可以ctrl + c 退出；同理，没有“+”的状态为后台进程，不会占用聊天框，我们可以继续输入指令。 但启动程序时要 **./程序 &**，它会返回其PID，不用时kill -9 PID 杀死即可。

(3) D磁盘休眠状态（Disk sleep）：

有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep）——深度睡眠，在这个状态的进程通常会等待IO的结束。（不可被被动中断，kill都不能杀掉，除非拔电源）

(4) 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。（比如：gdb调试）

kill -19 // 暂停进程

kill -18 // 继续进程

T 区别于 S：

睡眠进程是等待非CPU资源， 对应的是阻塞状态。暂停状态，原先是运行状态，没有等待资源，仅仅是暂停了。

(5) 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.(当大量进程结束时，操作系统忙不过来，那这时进程就会标记为X进程，随时准备被回收)

(6) Z僵尸状态：

一个进程已经退出，但还不能被OS回收，处于一个等待被检测的状态，叫做僵尸状态。

那为啥要有这种状态？ 为了状态保持，让父进程或者OS来检测。 （所谓的保持：指代码和数据被回收了，进程的PCB还保留着。）

僵尸进程的危害

1. 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！
2. 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！
3. 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！
4. 内存泄漏?是的

(7) 孤儿进程

概念：

父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？ 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

我们简单创建一个父进程先退出，子进程后退出的场景。发现：

7. 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。

查看优先级，输入：

ps -al // 会显示机器所以进程

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

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CPU执行

NI：代表这个进程的nice值，优先级的修正值，范围是-20到19，共40个级别。（每次设置nice值时，PRI都是默认值一般80）

Linux优先级具体做法：

优先级 = 老的优先级（PRI） + nice值(NI)

修改优先级

输入： top 指令； 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

有时需要提高权限，sudo一下即可（前提是：设置过信任用户）

结语

本小节就到这里了，感谢小伙伴的浏览，如果有什么建议，欢迎在评论区评论；如果给小伙伴带来一些收获请留下你的小赞，你的点赞和关注将会成为博主创作的动力。