linux系统编程之进程概念（操作系统---管理，进程创建，进程状态，进程优先级， 环境变量，程序地址空间，进程O（1）调度方法）

系统编程：

	进程概念->进程控制->基础IO->进程间通信->进程信号->多线程

进程概念

冯诺依曼体系结构----现代计算机硬件体系结构

在这里插入图片描述
冯诺依曼体系结构----现代计算机硬件体系结构

	计算机五大硬件单元：输入设备：键盘输出设备：显示器存储器：内存-外存---固态接口类型SATA   SATA3  PCI-E（目前最好）运算器：CPU—主频2.5GHz，主频越大代表时钟震荡周期越高，代表1s中处理的指令也就越多控制器：CPU所有设备都是围绕存储器工作的

关于冯诺依曼，必须强调几点：

  • 这里的存储器指的是内存 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。
  • 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊 天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发 送文件呢？

硬件决定了软件的行为

操作系统—管理

在这里插入图片描述
操作系统：

一个软件安装在计算机硬件上

目的：

为了让计算机更加好用—功能：合理统筹管理计算机上边的软硬件资源

管理：

先描述使用pcb描述进程，使用双向链表将pcb串起来进行管理，再组织。

库函数与系统调用接口的关系：

封装关系：库函数封装了系统调用接口，是上下级的调用关系

进程概念----进程是什么

进行中的程序
linux是一个多任务操作系统，表示有大量的程序需要被cpu调度运行，这时候cpu使用了分时技术，分别轮询处理每一个进程，在进程程序切换调度时，需要记录运行信息，因此操作系统在调度进程在cpu上运行时，使用pcb对运行中的程序进行描述，通过调度pcb完成对进程的调度，因此进程是pcb。
pcb对运行中程序进行描述
每一个运行的程序都是pcb

在操作系统角度，操作系统通过pcb来控制一个进程的运行，这个pcb也叫进程描述符，描述了一个运行中的程序
Linux操作系统下的PCB是task_struct结构体(用双向链表进行组织的)

什么时task_struct结构体

参考链接

task_struct结构体中的内容
  • 标示符: 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。
  • 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。
  • 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
  • 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

内存指针

pcb中有一个指针指向了当前要运行的程序
cpu通过pcb内存指针知道代码在什么位置，然后加载到内存上面

cpu分时机制

不会体会到卡顿的原因，调度进程时，不会一直在一个进程上面运行，轮询调度pcb 。
每个都执行一段时间，切换速度很快。
每个进程只运行很短的一段时间（时间片）

程序计数器

即将执行的指令的地址

上下文数据

cpu正在处理的数据是什么

标识符PID

每一个进程都有一个ID

进程状态

当前进程处于什么状态

优先级

前台进程（交互式进程）优先级更高
批处理（后台进程）

IO状态信息

每一个进程里面都会打开很多的文件，打开文件就要进行管理
记录描述文件，所以需要保存下来这些信息

记账信息

一个进程大致在cpu上运行了多长时间

进程查看

ps

-ef 
-aux		查看系统所有进程信息
  • /proc 保存系统中正在运行的程序信息
  • pid_t getpid() 获取调用进程的pid
    在这里插入图片描述
  • 根目录下的proc/目录存放的就是当前操作系统上面正在运行中的程序的运行信息

例如

#include <stdio.h>    
#include <sys/types.h>    
#include <unistd.h>    
int main()    
{    while(1){    sleep(1);        }    return 0;       
}

在这里插入图片描述

通过系统调用获取进程标示符

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

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进程创建

创建进程就是创建pcb
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用fork创建进程
fork()—通过复制调用进程（父进程）创建一个新的进程（子进程）
子进程与父进程完全相同
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
head line 打印了一次
tail line 打印了两次
在这里插入图片描述
复制了父进程的pcb（意味着和父进程拥有一样的内存指针，程序计数器，上下文数据）：
和父进程运行相同的代码，相同的运行位置，
处理一样的数据

父子进程代码共享，数据独有 。
同一个内存区域，打印的值相同

子进程创建成功都是从下一步指令开始运行

如何分辨父子进程：通过返回值
在这里插入图片描述
父子进程不一定谁先运行，要看cpu调哪个pcb
父进程：

	返回子进程的pid，pid>0

子进程：

返回0

失败：

返回-1

为什么要创建子进程？意义何在？

  1. 分摊压力，cpu资源足够的情况父子进程同时处理数据，效率高
  2. 希望子进程完成其他的任务

进程状态

普遍的系统的三种状态

就绪，运行，阻塞

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Linux进程状态：

  1. 运行态（R）
  2. 可中断睡眠态（S）
  3. 不可中断睡眠态（D）
  4. 停止态（T）
  5. 僵死态（Z）
  6. 死亡态（X）
  7. 追踪态（t）

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加号代表前台进程

cpu使用率非常高，什么原因？

死循环。

杀死进程

kill  进程ID

普通杀死进程杀不死停止态进程
在这里插入图片描述
要用强杀

kill -9 进程ID

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僵尸进程：
处于僵死态的进程----进程退出后，资源没有完全释放（没有完全退出）
强杀都杀不死
如何产生？
在这里插入图片描述
子进程先于父进程退出，将自己退出原因保存在pcb中，操作系统检测到子进程退出，因为父进程有可能关注退出原因，所以不敢随意释放所有资源，通知父进程子进程的退出，但是这时父进程可能正在打麻将，没有关注到这个通知，导致子进程退出了
但是资源一直没有 释放，处于僵尸进程，处于僵死状态，成为僵尸进程。

危害：资源泄露，一个用户能够创建的进程是有限的，导致新进程创建失败
处理：干掉父进程
如何避免：

进程等待

孤儿进程：

父进程先于子进程退出，子进程成为孤儿进程，运行在操作系统后台，父进程成为1号进程（被领养）

孤儿进程的使命就是不断奋斗最后成为守护进程
守护进程/精灵进程

特殊的孤儿进程     一个特殊的孤儿进程（脱离终端，脱离登会话的孤儿进程）

进程优先级

通过一个评级来决定一个进程的cpu资源优先分配权
为了让计算机运行的更加合理
（因为进程的性质各有不同—批处理/交互式）
查看：

ps  -l

修改：优先级无法直接修改，但是可以通过修改NI的值，来调整PRI的值
PRI=PRI+NI
renice程序运行后修改 （nice的范围（-20~19））

	Renic  -n ni_val  -p  pid

nice程序运行时指定

	nice  -n  ni_val  ./main

优先级调整更多的是针对cpu密集型程序（对cpu资源要求比较高）
磁盘密集型程序因为本事呢对cpu资源要求不是很高，因此大多数情况下，没必要调整

在这里插入图片描述
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，其值越小越早被执行 NI ：代表这个进程的nice值

PRI and NI

PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小 进程的优先级别越高那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值 PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice这样，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 所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值 nice其取值范围是-20至19，一共40个级别需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进 程的优先级变化。可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据

用top命令更改已存在进程的nice

top 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice的值

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
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
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

环境变量

环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数 如：我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但 是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。 环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性

就是内存解释
和环境变量相关的命令

  1. echo: 显示某个环境变量值
  2. export: 设置一个新的环境变量
  3. env: 显示所有环境变量
  4. unset: 清除环境变量
  5. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量

环境变量的组织方式
在这里插入图片描述
每个程序都会收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以’\0’结尾的环境字符串
常见环境变量：HOME SHLL PATH

通过第三方变量environ获取
**int argc 参数个数
char argv[] 字符串指针数组放的是参数
char env[] 这个字符串指针数组所保存的就是环境变量

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

通过系统调用获取或设置环境变量

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

环境变量通常是具有全局属性的
环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>

int main() 
{  char * env = getenv("MYENV"); if(env){       printf("%s\n", env);  }    return 0;}

直接查看，发现没有结果，说明该环境变量根本不存在
导出环境变量 export MYENV=“hello world”
再次运行程序，发现结果有了！说明：环境变量是可以被子进程继承下去的！想想为什么？

子进程崩溃了，对shell本身没有影响

程序地址空间

为什么要用虚拟地址空间+页表：保持进程独立性+充分利用内存+内存访问控制
段页式内存管理：段号+段内地址+页内偏移
段式内存管理：段号+段内地址
页式内存管理：页号+页内偏移
在这里插入图片描述
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h>

int g_val = 0;

int main(){    pid_t id = fork();    if(id < 0){        perror("fork");      return 0;   }else if(id == 0){ //childprintf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);   }else{ //parent       printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);   }  sleep(1);  return 0; }

在这里插入图片描述
我们发现，输出出来的变量值和地址是一模一样的，很好理解呀，因为子进程按照父进程为模版，父子并没有对变 量进行进行任何修改。可是将代码稍加改动:

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>int g_val = 0;int main() 
{    
pid_t id = fork(); if(id < 0){        perror("fork");      return 0;    }    else if(id == 0){ //child,子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取       g_val=100;       printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);   }else{ //parent       sleep(3);        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);   }    sleep(1);   return 0; }

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我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！能得出如下结论

变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量
但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！在Linux地址下，这种地址叫做 虚拟地址 我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理

OS必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址 。
地址：内存区域的编号
-----进程的虚拟地址空间—内存描述符----mm_struct

操作系统通过mm_struct这个结构体给进程描述了一个虚拟的地址
如何描述：
mm_struct{
ulong size;
ulong code_start;
ulong code_end;
ulong data_start;
ulong data_end;
}
在这里插入图片描述
为什么要使用虚拟地址空间虚拟地址空间+页表
通过页表进行映射，页表可以进行标记，当前地址是可读还是可写
提高内存利用率
对内存访问进行控制
保证进程独立性

虚拟内存的方式
写时拷贝技术：提高子进程创建效率

父进程创建了子进程，但是并没有直接给子进程开辟内存，拷贝数据，
而是跟父进程映射到同一位置，
但是如果内存中数据发生的改变，那么对于改变的这块内存，
需要重新给子进程开辟内存，并且更新页表信息。

进程O（1）调度方法

一个CPU拥有一个runqueue

普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！实时优先级：0～99（不关心）

活动队列
时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列 nr_active: 总共有多少个运行状态的进程

queue[140]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下 标就是优先级！
从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？

  1. 从0下表开始遍历queue[140]
  2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
  3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
  4. 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！
    bitmap[5]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个 比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率
    过期队列
过期队列和活动队列结构一模一样过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程 当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算

active指针和expired指针

  1. active指针永远指向活动队列

  2. expired指针永远指向过期队列

  3. 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在 的。

  4. 没关系，在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活 动进程！

在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增 加，我们称之为进程调度O(1)算法

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