【Linux系统编程】进程概念，进程状态

目录

一，操作系统（Operator System）

1-1概念

1-2设计操作系统的目的

1-3核心功能

1-4系统调用和库函数概念 

二，进程（Process）

2-1进程概念与基本操作

 2-2task_struct结构体内容

2-3查看进程

2-4通过系统调用创建进程 

三，进程状态

 运行状态（running）

阻塞状态（sleeping）

挂起状态

z(zombie)僵尸状态

僵尸进程危害

孤儿进程

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一，操作系统（Operator System）

1-1概念

任何计算机内部都包含一个基本的程序集合，成为操作系统（OS）。

操作系统包括：

• 内核（进程管理，进程调度，文件管理，驱动管理等）
• 其他程序（例如函数库，shell程序等）

1-2设计操作系统的目的

对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源

对上，为用户程序（应用层程序）提供一个良好的执行环境

1-3核心功能

操作系统“管理”硬件。

如何管理：

• 先描述起来，用struct结构体描述信息
• 再组织，用链表或者其他高效的数据结构将struct对象组织起来

1-4系统调用和库函数概念 

在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自身的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，称为系统调用。

系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对较高，所以，有心的开发者会对部分系统调用做封装，从而形成库，有了库，就很方便上层用户和开发者进行二次开发。

二，进程（Process）

2-1进程概念与基本操作

概念：进程是指程序的一个执行实例，正在执行的程序等。

内核层面概念：每个进程拥有独立的内存空间，系统资源和执行状态，是操作系统进行资源分配和调度和核心对象。

操作系统描述进程的的数据结构—PCB（process control block）

PCB基本概念：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。

• 在Linux操作系统下的PCB是：task_struct
• 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。

进程=内核数据结构+自己的代码和数据。

进程=task_struct+自己的代码和数据。 

同一时刻，可能会有多个可执行程序被加载到内存，而操作系统要对这些可执行程序进行管理， 在操作系统层面上，就会在内部会建立一个task_stuct 对象，里面保存了该可执行程序的代码地址，数据地址等各种信息。将这些task_struct使用链表或者其他数据结构管理起来，那么操作系统对进程的管理就转化为对链表的管理。

 2-2task_struct结构体内容

• 标识符：描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程
• 状态：任务状态，退出码，退出信号等。
• 优先级：相对于其他进程的优先级
• 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
• IO状态信息: 包括显⽰的IO请求,分配给进程的IO设备和被进程使用的文件列表。
• 其他信息......

2-3查看进程

1，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。

2，大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户及工具来获取

ps aux  #显示所有进程信息

top  #动态查看进程资源占用

3，通过系统调用获取进程标识符 

系统调用

getpid()   #当前进程ID（PID)

getppid() #父进程ID（PPID)

 

2-4通过系统调用创建进程 

• fork有两个返回值
• 父子进程共享代码，数据格子开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）
• fork之后通常要用if进行分流

创建一个子进程，将父进程的task_struct会拷贝一份给子进程，但是会有部分的数据时需要修改的，比如进程的唯一标识符pid。子进程会共享父进程的代码数据，相当于发生了浅拷贝。

 pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    // 子进程代码
} else {
    // 父进程代码
}

三，进程状态

操作系统中会存在多个进程。每个进程可能会存在不同的状态，有的进程正在运行，有的进程正在被调度，有的进程处于挂起等等。CPU要执行这些进程，这些进程的task_struct中会保存指向代码和数据的指针。操作系统会维护一个运行队列（running queue)，存放要运行的task_struct，这个队列就叫做调度队列，其中的一个个task_struct就是要被调度的进程。

本质上，进程状态就是task_struct结构体中的一个变量，用来记录当前进程的状态，在操作系统内部通过宏定义的方式，标识不同的状态。

例如，下面的状态在Kernel源代码的定义：

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): 可中断休眠，浅度睡眠，就是阻塞状态。该状态下的进程是可以被杀掉的。
• D(Disk sleep):不可中断休眠，Disk是磁盘的意思。该状态下的进程是无法被杀掉的。比如一些进程在进行IO的时候，是不允许被杀掉的。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。
• 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。
• t（trancing stop）：追踪状态，对我们的程序进行debug调试时的状态。打端点，进程就被暂停了。

 运行状态（running）

只要进程在调度队列中，都处于运行状态。

阻塞状态（sleeping）

以scanf为例，当执行scanf从键盘读取数据时，未输入数据时，操作系统会将当前进程的task_struct从调度队列中移除，放入设备的阻塞队列中，此时，该进程就处于阻塞状态。直到键盘响应，会将该进程重新放入调度队列的尾部，继续运行。

挂起状态

在磁盘上，会存在一块特定的分区，叫做swap分区。当内存资源严重不足时，操作系统会将一些不会被调度的进程的代码和数据交换到磁盘的swap分区，在操作系统内部只保留task_struct部分。此时的状态称为挂起状态。

阻塞挂起状态：将阻塞队列中的进程 唤出到磁盘的swap分区上

阻塞运行状态： 将运行队列末端的进程唤出到磁盘的swap分区上

z(zombie)僵尸状态

我们创建子进程的目的，是为了让子进程完成某种工作的。子进程完成后，父进程需要直到完成的信息。所以子进程在执行完后，必须要等待父进程获取它的退出信息，获取之前，该子进程的状态就是Z状态，僵尸状态。

当一个进程结束后，它的代码和数据就会被释放，所以它的退出信息只会保存在task_struct中。

僵尸进程危害

维护退出状态本⾝就是要⽤数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，

换句话说，Z状态⼀直不退出，PCB⼀直都要维护。

那⼀个父进程创建了很多⼦进程，就是不回收，就会造成内存资源的浪费。

因为数 据结构对象本⾝就要占用内存。

孤儿进程

父进程如果提前退出，那么⼦进程后退出，进入Z状态之后，那该如何处理呢？

父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”。

孤儿进程被1号进程领养，就是要被操作系统领养。此时的子进程会成为后台进程。