【Linux】进程概念,轻松入门【上篇】

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目录

一, 冯* 诺依曼体系结构

1,存储结构

​编辑

二, 操作系统 

1,概念

2,设计OS的目的

3,定位

4,如何理解 "管理"

5, 总结 

三,进程

1. 概念

 那么如何区分进程  & 程序?

2. PCB —— 描述进程

3. 组织进程

补充: cwd

 4.  task_struct ——PCB

 (1) PID——标识符

5.父子进程 

补充: fork()函数

fork函数——if分流

父子进程——各自优先级

6. 进程状态【Linux操作系统】

1. 新建:

2. 运行状态:

3. 阻塞:

4. 挂起:

6. liunx内核中的进程状态 

(1) S睡眠状态(sleeping):

 (2) R运行状态(running):

(3) D磁盘休眠状态(Disk sleep):

(4) T停止状态(stopped):

T 区别于 S:

(5) X死亡状态(dead):

(6) Z僵尸状态:

僵尸进程的危害

(7) 孤儿进程

 7. 进程优先级

修改优先级


一, 冯* 诺依曼体系结构

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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

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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

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关于操作系统,银行例子:

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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?

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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。

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(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" 

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 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。

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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 

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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:

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

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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

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  • 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]
  • IO状态信息: 包括显示的I/O请求,分配给进程的IO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:

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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

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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:

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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】

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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。

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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。

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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

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 (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。

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 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。

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(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

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(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

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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。

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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:

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 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 

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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 

 有时需要提高权限,sudo一下即可(前提是:设置过信任用户)

其他概念 

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

结语

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