系列文章目录

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• 前言
• 一、冯诺依曼体系结构
• 二、操作系统
• 三、进程概念
• • 进程概念
  • 描述进程（PCB）
  • 组织进程
  • 查看进程
  • 创建进程（fork）
  • 进程队列
  • 进程状态
  • • 运行状态 - R
    • 睡眠状态 - S
    • 停止状态 - T
    • 僵尸进程 - Z
    • 孤儿进程
  • 进程优先级
• 四、总结

前言

Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。博主将全程带领大家学习Linux的相关知识，本系列文章参考《鸟哥的Linux私房菜》推荐大家进行阅读学习。

一、冯诺依曼体系结构

计算机的硬件组件组成：

1. 输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等
2. 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
3. 输出单元：显示器，打印机等
4. 存储器：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。

二、操作系统

操作系统(OS)：任何计算机系统都包含的一个基本的程序集合。

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）

操作系统的设计目的：

• 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

计算机管理硬件（先组织再描述）：

• 描述起来，用struct结构体
• 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。

三、进程概念

进程概念

进程 = 内核数据结构 + 代码 + 数据

• 进程概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序。
• 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

描述进程（PCB）

进程控制块 PCB（process control block）：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。

Linux - PCB：task_struct

• Linux操作系统中描述进程的结构体（PCB）—— 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。

typedef struct task_struct {//进程所有属性//进程代码地址
} PCD;

task_ struct内容分类

1. 程序ID（PID、进程句柄）：它是唯一的，一个进程都必须对应一个PID。PID一般是整形数字
2. 特征信息：一般分系统进程、用户进程、或者内核进程等
3. 进程状态：运行、就绪、阻塞，表示进程现的运行情况
4. 优先级：表示获得CPU控制权的优先级大小
5. 通信信息：进程之间的通信关系的反映，由于操作系统会提供通信信道
6. 现场保护区：保护阻塞的进程用
7. 资源需求、分配控制信息
8. 进程实体信息，指明程序路径和名称，进程数据在物理内存还是在交换分区（分页）中
9. 其他信息：工作单位，工作区，文件信息等

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。

查看进程

方法一

大多数进程信息可以使用top和ps这些用户级工具来获取

ps axj | head -1 && ps axj | grep "进程名"

方法二

进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看

ls /proc

方法三

通过系统调用获取进程标示符

• 进程id（PID）
• 父进程id（PPID）

#include  
#include  
#include using namespace std;int main() {printf("我的进程ID:%d\n", getpid());printf("我的父进程ID:%d\n", getppid());return 0; 
}

创建进程（fork）

fork函数基本功能

#include     
#include     
#include     
using namespace std;    int main() {                                                                                                     pid_t ret = fork();    printf("进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());    sleep(1);    return 0;    
} 

此时会发现输出了两次不同的结果

通过fork()的返回值进行分流处理

#include     
#include     
#include     using namespace std;    int main() {    int ret = fork();    if (ret > 0) {  //father    printf("父进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());    } else if (ret == 0) { //child    printf("子进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());                           } else {    perror("fork");    return 1;    }    sleep(1);    return 0;    
} 

进程队列

进程队列数据结构

struct runqueue {PCD *head;//其他属性  
};

操作系统控制图解

进程状态

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）

下面的状态在kernel源代码里定义：

/* 
* 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 */
};

运行状态 - R

示例代码

#include     using namespace std;    int main() {  while (true) {  int a = 1;                                                                                               a += 1;}            return 0;
} 

睡眠状态 - S

在访问显示器时绝大多数情况都是在阻塞状态，只有极少情况下是在运行状态，我这里将两种情况都进行了截屏。

示例代码

#include     using namespace std;    int main() {    while (true) {    cout << "Runing~" << endl;    }    return 0;    
}

停止状态 - T

暂停进程 -> 继续运行，可以看到R+变成了R，这是因为程序从前台运行变成了后台运行，并且^C无法终止调程序，需要使用kill命令的-9选项杀死进程。

kill -19  	#暂停进程
kill -18	#继续运行
kill -9		#杀死进程

kill指令

僵尸进程 - Z

僵尸进程概念

• 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。

• 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。

示例代码

#include 
#include 
#include using namespace std;int main() {pid_t id = fork();if (id < 0) {perror("fork");return 1;} else if (id > 0) {cout << "parent - pid : " << getpid() << endl;sleep(30);} else {cout << "child - pid : " << getpid() << endl;sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}

运行脚本

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep text | grep -v grep; sleep 1; done

< defunct >表示失效，此时进程已经死亡，但是没有被回收。将父子进程都终止的时候，操作系统自动回收工作。

僵尸进程的危害

• 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），你交给我的任务，我办的怎 么样了。如果父进程如果一直不读取，那子进程将一直处于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，将会造成内存资源的浪费！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！

孤儿进程

孤儿进程概念

• 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，就要由init进程回收。

示例代码

#include 
#include 
#include using namespace std;int main() {pid_t id = fork();if (id < 0) {perror("fork");return 1;} else if (id == 0) {   //childcout << "child - pid : " << getpid() << endl;sleep(10);} else {                //parentcout << "parent - pid : " << getpid() << endl;sleep(3);exit(0);}return 0;
}

进程优先级

优先级的必要性：需求量大，资源太少，需要进行分配管理。

• 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。

优先级的查看

ps -la

• 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，值越小进程的优先级别越高
• NI ：代表这个进程的修正数值nice值，其取值范围是[ -20, 20 )一共40个级别

PRI 与 NI

• 在Linux下，就是调整进程nice值，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。
• 进程的nice值不是进程的优先级，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
• PRI = PRI(默认) + nice

优先级的修改

top命令更改已存在进程的nice： 输入top -> 按r -> 输入进程PID -> 输入nice值

top

r
30613 	# PID的值

9	# nice的值

四、总结

1. 了解冯诺依曼的计算机硬件组成
2. 了解操作系统的基本原理
3. 进程概念的详解（图解PCB、进程的描述、状态、创建、组织、查看详解）