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Linux系统-进程概念

發(fā)布時間：2023/12/10 linux 25 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Linux系统-进程概念小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

Linux進程概念

零、前言
一、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)
二、操作系統(tǒng)
三、進程
- 1、描述進程-PCB
- 2、查看進程
- 3、獲取進程標示符
- 4、創(chuàng)建進程-fork()
- 5、進程狀態(tài)
- 6、僵尸進程
- 7、孤兒進程
- 8、進程優(yōu)先級
- 9、環(huán)境變量
- - 1)測試PATH
  - 2)測試HOME
  - 3)如何獲取環(huán)境變量
  - 4)命令行變量

零、前言

本章主要講解操作系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)概念知識，為進程的學習做鋪墊

一、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

概念：

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)規(guī)定了硬件上的數(shù)據(jù)流動，而大部分計算機都遵守馮諾依曼體系，如筆記本，服務(wù)器等

示圖：

計算機基本硬件組成：

輸入單元：包括鍵盤, 鼠標，掃描儀, 寫板等

中央處理器(CPU)：含有運算器和控制器等

輸出單元：顯示器，打印機等

存儲器：物理內(nèi)存

注：輸入單元和輸出單元統(tǒng)稱外設(shè)

工作原理：

執(zhí)行程序時，輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)先預(yù)加載到存儲器中，通過存儲器將數(shù)據(jù)交給cpu進行處理，cpu再將得到的結(jié)果預(yù)寫入寫回存儲器，最后再由存儲器將結(jié)果刷新到輸出設(shè)備上

注意：

不考慮緩存情況CPU能且只能對內(nèi)存進行讀寫，不能訪問外設(shè)(輸入或輸出設(shè)備)

外設(shè)(輸入或輸出設(shè)備)要輸入或者輸出數(shù)據(jù)，也只能寫入內(nèi)存或者從內(nèi)存中讀取

所有設(shè)備都只能直接和內(nèi)存打交道

示例：登錄上qq開始和某位朋友聊天的數(shù)據(jù)的流動過程

你的電腦：輸入設(shè)備鍵盤將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存，內(nèi)存再將數(shù)據(jù)給CPU，CPU得到結(jié)果再將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，最后內(nèi)存將數(shù)據(jù)刷新到網(wǎng)卡

朋友的電腦：輸入設(shè)備網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存，內(nèi)存再將數(shù)據(jù)給CPU，CPU得到結(jié)果再將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，最后內(nèi)存將數(shù)據(jù)刷新到顯示器上

為什么運行程序必須先加載到內(nèi)存：

這是即是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)規(guī)定的，也是由于存儲器分級的原因?qū)е碌?/p>

示圖：存儲器層次結(jié)構(gòu)

內(nèi)存比較便宜速度慢，CPU速度快但是貴，為了平衡速度與經(jīng)濟CPU一般不會太大，所以CPU不能直接存儲數(shù)據(jù)

對于外設(shè)的輸入輸出效率會更慢，如果直接和CPU溝通會導(dǎo)致整個程序變得遲緩，所以由內(nèi)存作為中間者和所有設(shè)備進行直接溝通

二、操作系統(tǒng)

概念:

任何計算機系統(tǒng)都包含一個基本的程序集合，稱為操作系統(tǒng)(OS)

操作系統(tǒng)包括：

內(nèi)核（進程管理，內(nèi)存管理，文件管理，驅(qū)動管理）

其他程序（例如函數(shù)庫， shell程序等等）

設(shè)計OS的目的：

與硬件交互，管理所有的軟硬件資源

為用戶程序（應(yīng)用程序）提供一個良好的執(zhí)行環(huán)境

注：OS需要保護系統(tǒng)軟硬件，所以它對任何用戶都不信任，需要通過OS才能訪問系統(tǒng)軟硬件

定位：

操作系統(tǒng)也被稱作進行軟硬件資源管理的軟件

如何理解 “管理”：

操作系統(tǒng)作為管理者，主要做事情決策

而操作系統(tǒng)之下的驅(qū)動作為執(zhí)行者，進行執(zhí)行操作系統(tǒng)的決定

最后的底層硬件則是一個被管理的角色

示圖：

怎么進行管理：

描述：先對被管理者進行描述，將其屬性數(shù)據(jù)獲取（數(shù)據(jù)寫到struct結(jié)構(gòu)體中）

組織：用鏈表或其他高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行管理數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)體），也就是對數(shù)據(jù)的操作達到管理的效果

系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)概念：

在開發(fā)角度，操作系統(tǒng)對外會表現(xiàn)為一個整體，但是會暴露自己的部分接口，供上層開發(fā)使用，這部分由操作系統(tǒng)提供的接口，叫做系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用在使用上功能比較基礎(chǔ)，但對用戶的要求相對也比較高，所以開發(fā)者對部分系統(tǒng)調(diào)用進行適度封裝，從而形成庫，利于更上層用戶或者開發(fā)者進行二次開發(fā)

三、進程

概念：

進程是程序的一個執(zhí)行實例，從內(nèi)核的角度上看進程是擔當分配系統(tǒng)資源（CPU時間，內(nèi)存）的實體

即進程=程序+內(nèi)核的PCB

1、描述進程-PCB

概念：

進程信息被放在一個叫做進程控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，可以理解為進程屬性的集合；在Linux中描述進程的結(jié)構(gòu)體叫做task_struct

Linux操作系統(tǒng)下的PCB是: task_struct-PCB的一種，task_struct是Linux內(nèi)核的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它會被裝載到RAM(內(nèi)存)里并且包含著進程的信息

task_ struct內(nèi)容分類：

標示符: 描述本進程的唯一標示符，用來區(qū)別其他進程狀態(tài): 任務(wù)狀態(tài)，退出代碼，退出信號等優(yōu)先級: 相對于其他進程的優(yōu)先級程序計數(shù)器: 程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址內(nèi)存指針: 包括程序代碼和進程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進程共享的內(nèi)存塊的指針上下文數(shù)據(jù): 進程執(zhí)行時處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)[休學例子，要加圖CPU，寄存器 //當多個程序需要同時被執(zhí)行，而一個程序有執(zhí)行的時間片，達到時間需要切換程序，切換到恢復(fù)的過程就需要上下文數(shù)據(jù)發(fā)揮作用，達到無縫切換的效果 I／O狀態(tài)信息: 包括顯示的I/O請求,分配給進程的I／ O設(shè)備和被進程使用的文件列表記賬信息: 可能包括處理器時間總和，使用的時鐘數(shù)總和，時間限制，記賬號等其他信息

注：運行在系統(tǒng)里的進程都以task_struct鏈表的形式存在內(nèi)核里

2、查看進程

進程的信息可以通過 /proc 系統(tǒng)文件夾查看

示例：

大多數(shù)進程信息同樣可以使用top和ps這些用戶級工具來獲取

示例：

3、獲取進程標示符

系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)：

使用getpid()系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)獲取當前進程id（PID）

使用getppid()系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)獲取當前進程的父進程id（PPID）

注：getpid()和getppid()函數(shù)需要包含頭文件unistd.h

示例：

#include <stdio.h> #include <unistd.h>int main() {printf("pid: %d\n", getpid());printf("ppid: %d\n", getppid());return 0; }

結(jié)果：

4、創(chuàng)建進程-fork()

fork()功能：

為當前進程創(chuàng)建子進程，父子進程代碼共享，數(shù)據(jù)各自開辟空間私有一份（采用寫時拷貝：進行寫入時觸發(fā)拷貝）

fork()返回值：

對于父進程，如果創(chuàng)建成功返回子進程的pid，否則返回負數(shù)

對于子進程返回0（成功創(chuàng)建）

注意：

對子進程返回0,是因為子進程只有一個父進程，可以直接找到對應(yīng)父進程

對父進程返回子進程pid的意義是可以在父進程里直接得到子進程ID（可能有多個子進程），對某個子進程進行操作和管理

注：fork返回類型是pid_t，需要包含頭文件 sys/types.h

示例：

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() {pid_t ret = fork();printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);sleep(1);return 0; }

結(jié)果：

父子進程分流執(zhí)行:

我們創(chuàng)建子進程的意義是為了與父進程進行不同任務(wù)，因為父子進程的代碼共享，所以我們采用分支結(jié)構(gòu)進行分流執(zhí)行程序

示例：

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() {int ret = fork();if(ret < 0){perror("fork");return 1;}else if(ret == 0){ //childprintf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}else{ //fatherprintf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}sleep(1);return 0; }

結(jié)果：

為什么ret有兩個返回值：

fork()函數(shù)在return的前一刻，其主體任務(wù)全部完成，也就是子進程成功創(chuàng)建，此時父子進程代碼共享，數(shù)據(jù)各有一份（寫時拷貝），在返回時發(fā)生寫實拷貝，對于父進程的ret則是返回的子進程的pid，對于子進程的ret則是返回的0

5、進程狀態(tài)

進程有不同狀態(tài)，一個進程可以有幾個狀態(tài)

注：在Linux內(nèi)核里，進程有時候也叫做任務(wù)

狀態(tài)在kernel源代碼里定義：

/* * 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 */ };

解釋：

R運行狀態(tài)（running)：并不意味著進程一定在運行中，它表明進程要么是在運行中要么在運行隊列里(可以被調(diào)度)

S睡眠狀態(tài)（sleeping)：意味著進程在等待事件完成（這里的睡眠有時候也叫做可中斷睡眠，即淺睡眠）

D磁盤休眠狀態(tài)（Disk sleep）：有時候也叫不可中斷睡眠狀態(tài)，在這個狀態(tài)的進程通常會等待IO的結(jié)束（不能被進程殺死，此外還包括僵尸進程）

T停止狀態(tài)（stopped）：可以通過發(fā)送 SIGSTOP 信號給進程來停止（T）進程，這個被暫停的進程可以通過發(fā)送 SIGCONT 信號讓進程繼續(xù)運行

X死亡狀態(tài)（dead）：這個狀態(tài)只是一個返回狀態(tài)，你不會在任務(wù)列表里看到這個狀態(tài)（非常快結(jié)束）

t (tracing stop)狀態(tài)：表示進程追蹤狀態(tài)，即進程在調(diào)試中停下來的一個狀態(tài)（有些內(nèi)核版本沒有該狀態(tài)）

示圖：

查看狀態(tài)指令基本格式及選項：

ps aux / ps axj :查看系統(tǒng)中所有的進程 ps -la :查看基礎(chǔ)進程 a：顯示一個終端的所有進程，除會話引線外 u：顯示進程的歸屬用戶及內(nèi)存的使用情況 x：顯示沒有控制終端的進程 -l：長格式顯示更加詳細的信息 -e：顯示所有進程

效果：

6、僵尸進程

概念：

僵死狀態(tài)（Zombies）是一個比較特殊的狀態(tài)。當進程退出并且父進程（使用wait()系統(tǒng)調(diào)用）沒有讀取到子進程退出的返回代碼時就會產(chǎn)生僵死(尸)進程

僵死進程會以終止狀態(tài)保持在進程表中，并且會一直在等待父進程讀取退出狀態(tài)代碼

即只要子進程退出，父進程還在運行，但父進程沒有讀取子進程狀態(tài)，子進程進入Z狀態(tài)

示例：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() {pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id > 0){ //parentprintf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());sleep(30);}else{printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0; }

結(jié)果：

為什么有僵尸進程：

創(chuàng)建進程是用來執(zhí)行任務(wù)的，而進程的退出狀態(tài)保存了任務(wù)執(zhí)行的狀態(tài)信息，所以必須被維持下，以此等待父進程獲取其退出信息及任務(wù)狀態(tài)，進行下一步打算

僵尸進程的危害：

父進程如果一直不讀取，那子進程就一直處于Z狀態(tài)，而維護退出狀態(tài)本身就是要用數(shù)據(jù)維護，也屬于進程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，即一直不回收僵尸進程可能造成內(nèi)存資源的浪費，直到被回收后才能釋放其空間

7、孤兒進程

概念：

父進程先退出，子進程就稱之為“孤兒進程”，而孤兒進程會被1號 init 進程（系統(tǒng)）領(lǐng)養(yǎng)，最后由 init 進程回收

示例：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int main() {pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id == 0){//childprintf("I am child, pid : %d\n", getpid());sleep(10);}else{//parentprintf("I am parent, pid: %d\n", getpid());sleep(3);exit(0);}return 0; }

結(jié)果：

8、進程優(yōu)先級

概念：

cpu資源分配的先后順序，就是指進程的優(yōu)先權(quán)（priority），優(yōu)先權(quán)高的進程有優(yōu)先執(zhí)行權(quán)利

配置進程優(yōu)先權(quán)對多任務(wù)環(huán)境的linux很有用，可以改善系統(tǒng)性能

還可以把進程運行到指定的CPU上，以此可以大大改善系統(tǒng)整體性能

權(quán)限和優(yōu)先級的區(qū)別：

權(quán)限是能不能執(zhí)行的問題

優(yōu)先級是能執(zhí)行，但是是先執(zhí)行還是后執(zhí)行

本身是因為資源有限，需要競爭獲取資源，才提出優(yōu)先級

查看優(yōu)先級：

使用 ps –l 命令

示例：

解釋：

UID : 代表執(zhí)行者的身份

PID : 代表這個進程的代號

PPID ：代表這個進程是由哪個進程發(fā)展衍生而來的，亦即父進程的代號

PRI ：代表這個進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級，其值越小越早被執(zhí)行

NI ：代表這個進程的nice值

PRI and NI：

PRI即進程的優(yōu)先級，或者通俗點說就是程序被CPU執(zhí)行的先后順序，此值越小進程的優(yōu)先級別越高

NI即nice值，其表示進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級的修正數(shù)值

所以最終的優(yōu)先級：PRI(new)=PRI(old)+nice

注：這里的PRI（old）可以理解為一直是基準值80

當nice值為負值的時候，那么該程序?qū)?yōu)先級值將變小，即其優(yōu)先級會變高，則其越快被執(zhí)行

所以調(diào)整進程優(yōu)先級，在Linux下就是調(diào)整進程nice值

nice其取值范圍是 -20至19 一共40個級別

PRI vs NI：

進程的nice值不是進程的優(yōu)先級，但是進程nice值會影響到進程的優(yōu)先級變化

可以理解nice值是進程優(yōu)先級的修正修正數(shù)據(jù)

修改nice值：

先使用top命令，進入top后按“r”–>輸入進程PID–>輸入nice值

示例：

為什么PRI要有基準值以及NI具有范圍：

避免過高或者過低的優(yōu)先級出現(xiàn)，保證可控并且競爭的相對公平，提高效率

便于運算，不用再讀取優(yōu)先級信息，并且實現(xiàn)簡單

進程退出CPU的可能：

優(yōu)先級更高的進程搶占了CPU

該進程時間片到了（多進程運行）

注：進程讓出或者占領(lǐng)CPU資源時，就需要進行保存或者恢復(fù)進程的上下文數(shù)據(jù)

其他概念：

競爭性: 系統(tǒng)進程數(shù)目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個，所以進程之間是具有競爭屬性的。為了高效完成任務(wù)，更合理競爭相關(guān)資源，便具有了優(yōu)先級

獨立性: 多進程運行，需要獨享各種資源，多進程運行期間互不干擾

并行: 多個進程在多個CPU下分別，同時進行運行，這稱之為并行

并發(fā): 多個進程在一個CPU下采用進程切換的方式，在一段時間之內(nèi)，讓多個進程都得以推進，稱之為并發(fā)

9、環(huán)境變量

概念：

環(huán)境變量(environment variables)一般是指在操作系統(tǒng)中用來指定操作系統(tǒng)運行環(huán)境的一些參數(shù)

環(huán)境變量通常具有某些特殊用途，還有在系統(tǒng)當中通常具有全局特性(可以被子進程繼承)

示例：

我們在編寫C/C++代碼的時候，在鏈接的時候，從來不知道我們的所鏈接的動態(tài)靜態(tài)庫在哪里，但是照樣可以鏈接成功，生成可執(zhí)行程序，原因就是有相關(guān)環(huán)境變量幫助編譯器進行查找

常見環(huán)境變量：

PATH : 指定命令的搜索路徑

HOME : 指定用戶的主工作目錄(即用戶登陸到Linux系統(tǒng)中時,默認的目錄)

SHELL : 當前Shell,它的值通常是/bin/bash

查看環(huán)境變量：

echo $NAME //NAME:你的環(huán)境變量名稱

示例：

1)測試PATH

注：以PATH為例，展現(xiàn)環(huán)境變量的作用

示例：簡單寫個程序

#include <stdio.h> int main() {printf("hello world!\n");return 0; }

結(jié)果：

引入：

為什么有些指令可以直接執(zhí)行，不需要帶路徑，而我們的二進制程序需要帶路徑才能執(zhí)行？

原因：

執(zhí)行程序前，系統(tǒng)會在特定路徑下查找對應(yīng)程序

而PATH的作用是輔助系統(tǒng)進程指令查找，PATH變量儲存的就是可能存在指令或者程序的路徑

示圖：

注：其實程序，命令，指令，可執(zhí)行程序等等都是一個概念

如何將程序像指令一樣執(zhí)行（不帶路徑執(zhí)行）：

將我們的程序所在路徑加入環(huán)境變量PATH當中

使用指令 export PATH=$PATH:path（程序所在路徑）

示例：

注：該添加方法只在當前有用，退出Linux后則會恢復(fù)，想永久設(shè)置則需在環(huán)境變量文件中進行添加

將程序拷貝到PATH變量中的某個路徑中

示例：

2)測試HOME

對比效果：root和普通用戶執(zhí)行 echo $HOME

解釋：

一個用戶默認所處的路徑是由環(huán)境變量HOME決定的，環(huán)境變量home是決定用戶所處的主工作目錄的

和環(huán)境變量相關(guān)的命令:

echo: 顯示某個環(huán)境變量值

export: 設(shè)置一個新的環(huán)境變量

env: 顯示所有環(huán)境變量

unset: 清除環(huán)境變量

set: 顯示本地定義的shell變量和環(huán)境變量

環(huán)境變量的組織方式：

解釋：

每個程序都會收到一張環(huán)境表，環(huán)境表是一個字符指針數(shù)組，每個指針指向一個以’\0’結(jié)尾的環(huán)境字符串

3)如何獲取環(huán)境變量

命令行第三個參數(shù)

示例：

#include <stdio.h> int main(int argc ,char *argv[] ,char* env[])//命令行參數(shù)個數(shù)、命令行參數(shù)、環(huán)境變量 {int i = 0;for(; env[i]; i++) //遍歷env指針數(shù)組打印環(huán)境變量的值{printf("env[%d]：%s\n", i, env[i]); }return 0; }

結(jié)果：

通過第三方變量environ獲取

示例：

#include <stdio.h> int main(int argc, char *argv[]) {extern char **environ;int i = 0;for(; environ[i]; i++){printf("%s\n", environ[i]);}return 0; }

注意：

libc中定義的全局變量environ指向環(huán)境變量表，environ沒有包含在任何頭文件中，所以在使用時要用extern聲明

通過系統(tǒng)調(diào)用獲取或設(shè)置環(huán)境變量

示例：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() {printf("PATH:%s\n", getenv("PATH"));return 0; }

結(jié)果：

注：常用getenv和putenv函數(shù)來訪問特定的環(huán)境變量

4)命令行變量

在命令行中，我們可以定義兩種變量：

本地變量：只能夠在當前shell命令行解釋器內(nèi)被訪問，不能被子進程繼承

? 注：在命令行運行的指令，它的父進程都是bash

環(huán)境變量：可以被子進程繼承

示例：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux系统-进程概念的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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