★ Linux ★ 进程（上）

Ciallo～(∠・ω< )⌒☆ ~ 今天，我将和大家一起学习 linux 进程~

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澄岚主页：椎名澄嵐-CSDN博客

Linux专栏：https://blog.csdn.net/2302_80328146/category_12815302.html?spm=1001.2014.3001.5482

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壹基本概念与基本操作

1.1 task_ struct

1.2 查看进程

1.3 创建进程

贰进程状态

2.1 进程状态的概念

2.2 运行阻塞挂起

2.3 进程状态查看

2.4 僵尸进程

2.5 孤儿进程

叁进程优先级

3.1 基本概念

3.2 查看系统进程

3.3 PRI and NI

3.4 查看进程优先级的命令

3.5 竞争、独立、并行、并发

肆进程切换

伍 Linux2.6内核进程O(1)调度队列

5.1 优先级

5.2 活动队列

5.3 过期队列

5.4 active指针和expired指针

~完~

壹基本概念与基本操作

进程是程序的一个执行实例，正在执行的程序等，或者说担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

进程信息（PCB）被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，Linux操作系统下的PCB是: task_struct。进程的所有属性都可以直接或间接的通过task_struct找到。

进程 = PCB（struct_task）+ 自己的代码和数据 ~

对进程的管理就变成了对链表的增删查改 ~

1.1 task_ struct

task_ struct 中包含：

• 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

1.2 查看进程

历史上我们执行的所有指令，工具，自己的程序，运行起来都是进程~

我们可以通过系统调用getpid获取进程标示符~

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{while(1){sleep(1);printf("我是一个进程~,我的pid: %d\n", getpid());}
}

每次执行的进程值都不同~

终止进程可以使用 ctrl + C 或 kill -9~

进程的信息可以通过/proc 系统文件夹查看 ~

进程结束后此进程的pid为名的文件夹会被销毁 ~

因为cwd默认当前目录，所以fopen创建文件时会在当前目录下生成~

更改目录可以使用 chdir （也是系统调用）~

  1 #include <stdio.h>2 #include <unistd.h>3 #include <sys/types.h>4 int main()5 {6     chdir("/home/zmzz");7     fopen("Ciallo.txt","a");8     while(1)9     {10         sleep(1);11         printf("我是一个进程~,我的pid: %d,我的父进程id: %d\n", getpid(), getppid());12     }13 }

getppid() 可以查看父进程，父进程不会变（bash命令行解释器本质是一个进程~）

每有一个用户就会有一个bash

1.3 创建进程

fork可以用来创建子进程~

  1 #include <stdio.h>2 #include <unistd.h>3 #include <sys/types.h>4 int main()5 {6     printf("父进程开始运行：pid= %d\n", getpid());7     fork();8     printf("进程开始运行：pid= %d\n", getpid()); 9 }

fork有两个返回值~

一个父进程可以有多个子进程，是1：n的关系，父进程也需要知道子进程的pid进行控制，所以fork会给父子不同的返回值~

在fork函数中return id；语句执行前子进程已经被创建和调度了~所以fork会返回两次~

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{printf("父进程开始运行：pid= %d\n", getpid());pid_t id  = fork();if (id < 0){perror("fork fail~");return 1;}else if (id == 0){// childwhile(1){sleep(1);printf("我是一个子进程~,我的pid: %d,我的父进程id: %d\n", getpid(), getppid());}}else{// fatherwhile(1){sleep(1);printf("我是一个父进程~,我的pid: %d,我的父进程id: %d\n", getpid(), getppid());}}printf("进程开始运行：pid= %d\n", getpid());
}

进程具有独立性，父子任何一方进行修改数据，OS会把修改的数据在底层拷贝一份，让目标进程修改这个拷贝~这个拷贝叫做采用写时拷贝~

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int gval = 100;int main()
{printf("父进程开始运行：pid= %d\n", getpid());pid_t id  = fork();if (id < 0){perror("fork fail~");return 1;}else if (id == 0){printf("我是一个子进程~,我的pid: %d,我的父进程id: %d, gval: %d\n", getpid(), getppid(), gval);sleep(5);// childwhile(1){sleep(1);printf("子进程修改变量：%d->%d\n", gval, gval+10);gval += 10; // 修改printf("我是一个子进程~,我的pid: %d,我的父进程id: %d\n", getpid(), getppid());}}else{// fatherwhile(1){sleep(1);printf("我是一个父进程~,我的pid: %d,我的父进程id: %d, gval: %d\n", getpid(), getppid(), gval);}}printf("进程开始运行：pid= %d\n", getpid());
}

贰进程状态

2.1 进程状态的概念

进程状态本质上就是task_struct内的一个整数。不同的整数代表不同的状态。

2.2 运行阻塞挂起

运行：进程在调度队列中，进程的状态都是running。

阻塞：等待某种设备或资源就绪。（键盘，显示器，网卡，磁盘，摄像头，话筒等）

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 */
};

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。
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或者浅睡眠（interruptible sleep））。
D磁盘休眠状态（Disk sleep）：有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束。
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。
t停止状态（tracing stopped）： 被debug，断点，进程被暂停了。
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。

2.3 进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

a：显示一个终端所有的进程，包括其他用户的进程。
x：显示没有控制终端的进程，例如后台运行的守护进程。
j：显示进程归属的进程组ID、会话ID、父进程ID，以及与作业控制相关的信息
u：以用户为中心的格式显示进程信息，提供进程的详细信息，如用户、CPU和内存使用情况等

2.4 僵尸进程

僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。

创建子进程的目的是为了帮父进程完成某种事情的，父进程需要知道子进程结果相关的信息。此信息会被存在task_struct中。如果父进程一直不回收子进程的退出信息，那么Z状态的PCB会一直存在,会引起内存泄漏问题。

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。所以，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。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//childint count = 5;while(count){printf("我是子进程，我正在运行：%d\n", count);sleep(1);count--;}}else{//parentwhile(1){printf("我是父进程，正在运行...\n");sleep(1);}}return 0;
}// while :; do ps ajx | head -1; ps ajx | grep myprocess; sleep 1; done

2.5 孤儿进程

父进程先退出，子进程被1号systemd（操作系统）进程领养，这个子进程就称之为“孤儿进程”。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//childwhile(1){printf("我是一个子进程, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}else{// fatherint cnt = 5;while(cnt){printf("我是一个父进程, pid = %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());cnt--;sleep(1);}}return 0;
}// while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myprocess;sleep 1；done

1号进程：

变成孤儿进程后，此进程会成为后台进程，ctrlC不能终止，需使用：

kill -9 此进程pid

叁进程优先级

3.1 基本概念

进程优先级就是进程得到CPU资源的先后顺序~

CPU资源稀缺，所以导致要通过优先级确认谁先谁后的问题~

优先级是能得到资源，谁先谁后的问题。而权限是能不能得到资源的问题~

优先级也是一种数字, int, 值越低，优先级越高，反正，优先级越低~ 基于时间片的分时操作系统，考虑公平性，所以优先级可能变化，但变化幅度不会太大~

3.2 查看系统进程

ps -al | head -1 && ps -al | grep myprocess

• 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

top r 10命令后：

3.3 PRI and NI

PRI即进程的优先级，或者说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高~
nice值表示进程可被执行的优先级的修正数值
所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值，PRI=80+NICE值
Linux优先级范围为[60， 99]，nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

3.4 查看进程优先级的命令

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值

3.5 竞争、独立、并行、并发

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

肆进程切换

比如一个大学生要去当兵，去之前他得向辅导员申请保留学籍，一年之后回来时他又得向辅导员申请恢复学籍，这就相当于一次切换，学校就是CPU，导员是调度器，大学生就是进程，学籍是进程运行的临时数据（CPU内寄存器中的内容，当前进程的上下文数据），保留学籍恢复学籍分别相当于保存和恢复进程上下文数据，当兵就是从CPU上剥离下来了。

当前进程要将自己的进程硬件上下文保存到进程的task_struct中（TSS任务状态段）。

伍 Linux2.6内核进程O(1)调度队列

下图是Linux2.6内核中进程队列的数据结构~

一个CPU拥有一个runqueue，如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题~

5.1 优先级

普通优先级：100～139（x - 60 + (140 - 40)）
实时优先级：0～99（不关心）

5.2 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！相当于一个哈希表管理的一个个链式队列
从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？