Linux——进程的概念-Toy模板网

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task_struct

task_struct 是linux下管理进程的结构，称为PCB，进程控制块。linux所有的指令本质上都是一个进程。进程 = task_struct + 进程的数据、代码、可执行程序，有属性、有内容。
进程是系统的工作单元。系统由多个进程组成，包括操作系统进程（执行系统代码）、用户进程（执行用户代码）。这些进程都会并发执行，可以在单 CPU 上采用多路复用来实现。

内容	描述
标示符(PID)	进程的唯一标示符
状态	状态，退出码，退出信号等
优先级	进程的优先级
程序计数器	程序下一条指令的地址（PC指针）
内存指针	程序代码和进程数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
上下文数据	进程执行时处理器的寄存器中的数据
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	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。

操作系统不直接管理对象，而是管理对象的数据。数据由驱动从硬件获取，反馈给操作系统。如何管理大量的数据？提取对象的数据，用一个数据类型来描述，task_struct。一切皆对象，抽取对象的属性，来描述具体的对象。从管理对象->管理数据->管理数据结构

进程的属性用tast_struct描述并组织，进程对应的代码、数据、资源（可执行程序）同样加载在内存中。

进程的pid和ppid

pid是每一个进程在系统中的唯一标识符
ppid是该进程的父进程id

每次在命令行启动进程，操作系统都会为进程分配随机的pid，但是父进程的id是不变的。
为什么？因为命令行上启动的进程的父进程都是bash。

bash进程

Linux下每一个已登录的用户都有bash进程，称为一个会话。当一个用户在终端上面登录后，Linux系统就会给用户提供命令行服务，执行的命令都是这个bash进程的程序替换后的子进程，因此Bash是大部分命令行程序的父进程。

/*
 * pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
 * older sibling, respectively. 
 */
struct task_struct *real_parent; /* real parent process */
struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
/*
 * children/sibling forms the list of my natural children
 */
struct list_head children;  /* list of my children */
struct list_head sibling;   /* linkage in my parent's children list */
struct task_struct *group_leader;   /* threadgroup leader */

进程的状态

操作系统层面

运行态：在运行队列中排队的进程称为运行态。不是正在运行，而是表示准备就绪，等待CPU调度。
阻塞态：进程不止在申请CPU资源，每一种资源都在操作系统中有自己的等待队列，例如磁盘、网卡等。当资源没有准备好，操作系统会把CPU的runqueue中的进程交给对应资源的等待队列wait_queue。CPU才可以执行其他的任务。当资源的读写资源就绪才会重新把这个进程放回CPU的运行队列中。类似一边下东西一边看在线视频会很卡，这就是进程阻塞。
终止态：进程还在，但是不会再被运行，随时等待被释放。进程终止了，应该把资源如结构体、内存等释放掉。
挂起态：挂起的进程不会申请CPU资源。操作系统会把短期内不会被调度（在队列中排的比较靠后）的进程的代码和数据置换到磁盘的swap分区上，而不是在内存里占着，浪费别的进程的资源。例如电脑换了固态硬盘运行会比较流畅。
#swap分区

进程都终止了，为什么不立马释放，而是要维护一个终止态？
因为进程终止后需要释放资源，如关闭文件描述符，回收内存等，这些工作需要一些时间，需要等待操作系统空闲的时候来清理。

Linux系统层面

static const char *task_state_array[] = {
    "R (running)",      /*  0 */
    "S (sleeping)",     /*  1 */
    "D (disk sleep)",   /*  2 */
    "T (stopped)",      /*  4 */
    "T (tracing stop)", /*  8 */
    "Z (zombie)",       /* 16 */
    "X (dead)"          /* 32 */
};

状态	描述
R（TASK_RUNNING）	进程正在执行或准备就绪、等待调度
S（TASK_INTERRUPTIBLE）	当进程等待I/O操作时，会进入可中断的睡眠状态。
D（TASK_UNINTERRUPTIBLE）	当进程等待磁盘操作完成时，会进入不可中断的睡眠状态。
T（TASK_STOPPED或TASK_TRACED）	当进程被暂停或跟踪时，当进程被调试器暂停时，它会进入暂停状态。
Z（TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE）	当子进程已经退出但尚未被父进程回收称为僵尸进程。
X（TASK_DEAD - EXIT_DEAD）	这种情况下，进程即将被销毁。当进程已经退出并且已被父进程回收时，它的状态是

运行状态

Linux——进程的概念
这个程序在死循环打印，但是进程状态却是S。程序是在死循环，但是代码很少，CPU运行很快，大部分时间都在等待外设就绪，因为显示器作为硬件外设速度太慢了。
状态后面带+表示这是一个前台进程。可以在前台用ctrl+c杀掉进程。
#前台进程

僵尸进程

什么是僵尸进程？

通常情况下，父进程会使用 wait 或 waitpid 函数回收退出之后的子进程的资源，并获得子进程的退出状态。

如果子进程先于父进程退出，同时父进程太忙了，无瑕回收子进程的资源，子进程不会直接变为X状态，资源不会立刻被回收。而是变为Z状态，僵尸状态。

为什么有僵尸状态？

在进程执行完之后，要把进程的执行结果通过进程等待返回给父进程或操作系统。以便操作系统或父进程作二次决策。但是父进程还没退出，就需要一直保持这个PCB，等待父进程回收后才能删除。如果父进程完了没有回收资源就退出了，子进程就变成一个孤儿，这时候就被1号进程init领养，由init完成资源的回收工作。
例如main函数的返回值，返回后就给到了PCB中的退出信息。

僵尸进程的危害？

如果父进程一直不回收，那僵尸进程就一直存在，进程是加载到内存中的，需要操作系统维护PCB，就会有内存资源的浪费。

如何杀死僵尸进程？

我们可以在命令行上用kill命令，通过发送信号来杀死一个进程。但是无法杀死一个僵尸进程，即使是kill -9。因为进程已经终止了，但是资源还在进程的PCB中保存着，需要被回收。
但是可以尝试杀掉僵尸进程的父进程，让僵尸进程变成孤儿进程。

孤儿进程

如果父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程。孤儿进程将被 init （1号）进程领养，并由 init 进程回收该孤儿进程的资源。
但是ps查看进程状态的时候，父进程没有进入Z状态？
因为命令行上启动的进程的父进程是bash，bash会自动回收他的子进程。

睡眠状态

S（Sleeping）和D（Disk Sleeping）都表示阻塞状态。

S：浅度睡眠，可中断睡眠，一直在等待资源，可以被唤醒也可以被杀死。
D：不可中断睡眠，等待磁盘资源。
进程如果等待IO的时候被杀掉，就不能跟资源正确完成交互，可能会造成数据丢失。因此 Linux 引入了D状态，这个状态的进程不会被操作系统杀掉。
要杀死D状态，只能拔电源，如果太多D状态的进程，可能无法关机。只能让进程磁盘交互结束。

进程暂停

进程可以暂停，例如播放音乐和视频，还有类似调试代码的情况。分为stopped和tracing stop。T表示直接暂停，t表示追踪暂停。当进程被调试的时候，遇到断点处的状态。

进程优先级

优先级表明进程获取资源的优先顺序。为什么要排队？系统资源不够。

[chfens@VM-12-8-centos processTest]$ ps -l
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S  1002  3310  3309  0  80   0 - 29477 do_wai pts/24   00:00:00 bash
0 S  1002  3368  3310  0  80   0 -  1868 do_wai pts/24   00:00:00 scl
0 S  1002  3369  3368  0  80   0 - 28584 do_wai pts/24   00:00:00 bash
0 S  1002  3379  3369  0  80   0 - 29596 do_wai pts/24   00:00:00 bash
0 R  1002  3471  3379  0  80   0 - 38595 -      pts/24   00:00:00 ps

pri表示priority，ni表示nice。nice是进程优先级的修正数据。要改优先级得改nice。但是进程的优先级被修改会打破调度器平衡，因此要root才能修改。
但是优先级高的怎么打断低的呢？这可是一个运行队列，只能先进先出？
根据不同的优先级，将指定进程放入不同的队列中。比如1级优先级一条队列，2级进程一条队列。比如每次都是从0级队列开始找，空即找下一个优先级的队列。但实际中是用哈希和位图。
Linux——进程的概念

抢占优先级

优先级高的会抢占优先级低的进程，抢占后需要用寄存器保存被抢占进程的上下文信息。
调度复杂度O（1）

进程的特性

独立性

各个进程不会相互干扰。进程本质是内核数据结构+代码和数据。多个进程在系统中运行不等于进程在同时运行。写时拷贝

竞争性

进程存在抢占优先级，低优先级进程会被高优先级的进程打断。调度器会直接把进程从CPU上剥离，让优先级更高的运行。

并行

多个进程在多个CPU下分别同时运行

串行

操作系统大多数是分时的，分时操作系统是基于时间片轮转而调度的。
比如有10个进程，在一段时间段内，给1号进程1ms的时间运行，1ms到了就切换到2号进程，并把原来的1号进程放在运行队列的尾端。

进程的当前路径

Linux——进程的概念
a.out用于创建一个log.txt，发现bash在哪个路径下调用程序，就会在哪里创建文件。

查看这个进程的信息，cwd表示current working directory，就是testCode，因为是在testCode下加载的进程，而exe实际是指向别的地方的a.out。
表明进程的当前路径是进程被调用的路径。

fork

本来是单执行流，之后分叉变成两个执行流，形如叉子一样的创建子进程的函数称为fork。表现在操作系统中多了一个PCB，子进程继承自父进程。fork函数之后的父子进程代码共享，但是数据独立。可以通过判断返回值区分父子进程，执行不同功能。

fork的返回值

fork会给子进程返回0；给父进程返回子进程的pid
为什么有两个返回值？
一个父进程可以有多个子进程，父进程必须能描述各个子进程。因此fork之后给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0。
为什么会返回两次？文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-508393.html

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