【Linux】进程概念

1.本节重点

1.认识冯诺依曼系统
2.操作系统概念与定位
3.深入理解进程概念，了解PCB
4.学习进程状态，学会创建进程，掌握僵尸进程和孤儿进程，及其形成原因和危害
5.了解进程调度，Linux进程优先级，理解进程竞争性与独立性，理解并行与并发
6.理解环境变量，熟悉常见环境变量及相关指令，getenv/setenv函数
7.理解C内存空间分配规律，了解进程内存映像和应用程序区别，认识地址空间
8.选学Linux2.6 kernel，O(1)调度算法结构

2. 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组成的。
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；

关于冯诺依曼，必须强调几点：
1.这里的存储器指的是内存；
2.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）；
3.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；
4.一句话，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，从你登陆上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，到他的消息之后的流动过程。如果是在QQ上发送文件呢？

3.操作系统（Operator System）

3.1 概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）。笼统的理解，操作系统包括：
1.内核（进程管理，驱动管理，文件管理，内存管理）；
2.其他程序（例如函数库，shell程序等等）。

3.2 设计OS的目的

1.与硬件交互，管理所有的软硬件资源；
2.为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。

3.3 定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的搞管理的“软件”。

3.4 如何理解“管理”

1.管理的例子
2.描述管理对象
3.组织管理对象

3.5 总结

计算机管理硬件
1.先描述起来，用struct结构体；
2.再组织起来，用链表或其他高效的数据结构。

3.6 系统调用和库函数概念

1.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。
2.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。

3.7 承上启下

那在还没有学习进程之前，操作系统是怎么进行进程管理的呢？

很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来！

4. 进程

4.1 基本概念

1.课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等；
2.内核观点：担当分配系统资源的实体（CPU时间，内存）等。

4.2 描述进程——PCB

1.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；
2.课本上称之为PCB(process control block)，Linux操作系统下的PCB是：task_struct。

task_struct-PCB的一种
1.在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。
2.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。

task_struct内容分类
1.标示符：描述进程的唯一标示符，用来区别其他进程；
2.状态：任务状态，退出代码，退出信号等；
3.优先级：相对于其他进程的优先级；
4.程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址；
5.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；
6.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）；
7.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；
8.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，记帐号等；
9.其他信息。

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
进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看。

如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看/proc/1这个文件夹。

大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取。

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

4.3 通过系统调用获取进程标示符

1.进程id（PID）
2.父进程id（PPID）

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

4.4 通过系统调用创建进程-fork初识

1.运行 man fork 认识 fork 。
2.fork 有两个返回值
3.父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）

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

fork 之后通常要用 if 进行分流

#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;
}

5.进程状态

5.1 看看Linux内核源代码怎么说

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。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 */
};

1.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。

2.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（interruptible sleep））。

3.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。

4.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。

5.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。

5.2 进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

5.3 Z(zombie)-僵尸进程

1.僵死状态（Zombils)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。
2.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。
3.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。

来一个创建30秒的僵死进程例子：

#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("chile[%d] is begin Z...\n", getpid());sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}

编译并在另一个终端下启动监控：