【Linux系统】认识操作系统和操作系统如何进行管理以及进程相关状态

本篇文章所涉及到的内容主要是与 进程的基础概念相关，所涉及到的内容有
1认识冯诺依曼系统
2操作系统的概念与定位
3深入了解进程概念，了解PCB
4会学习到进程状态和创建进程，僵尸进程和孤儿进程，及其形成的原因和危害

1 认识冯诺依曼体系结构

我们的计算机大部分都遵循冯诺依曼体系结构
冯诺依曼体系结构如下图所示

这里的输入设备可以是：键盘，话筒，摄像头，鼠标，网卡，磁盘等
存储器就是我们的内存
输出设备可以是：显示器，磁盘，网卡，声卡音响等
中央处理器部分就是我们常说的CPU

1.1 冯诺依曼体系结构存储器的作用

我们首先要知道，我们的输入输出设备通常称之为外设，而这些外设一般会运行得比较慢，以磁盘为例相对于内存，磁盘运行是比较慢的。
而我们的CPU运行是最快的。

这里要讨论的是冯诺依曼体系结构中存储器的作用，我们尝试去掉存储器。

这种可以运行吗？答案是可以的。
但是比起冯诺依曼体系结构，效率差的太远了。
因为我们前面说过，外设的运行是最慢的，而CPU运行的效率虽然快，但是外设的运行效率拖慢了CPU的运行效率。换句话就是，我输入设备都还没读进来，CPU运行得再快也没用，CPU怎么处理？

所以，我们可以得出大致的一个结论：
冯诺依曼体系结构中的存储器可以更好地提升整个体系的运行效率。

因为有了内存的存在，我们的计算机就可以对数据做预加载，CPU在进行数据计算时，就可以不用访问外设，直接与内存联系即可。
外设要输入输出数据，也只能写入内存或从内存中读取

2 操作系统(Operator System，OS)

操作系统是一款进行软硬件资源管理的软件
操作系统对下通过管理好软硬件资源，对上给提供良好的（安全，稳定，高效，功能丰富等）的执行体验。
如图所示，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，这部分由操作系统的提供的接口，叫做系统调用。
系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，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。

2.1 OS如何进行管理

OS管理的手段是：先描述再组织
什么意思呢？我们要先知道这里的管理的本质是指对被管理对象的数据进行管理
也就说，OS是先将所有被管理对象的数据收集起来（先描述），然后再放在相应的数据结构里面（再组织），以方便进行后续的操作。

3 进程

什么是进程？
我们通常说进程是程序的一个执行实例。一个正在执行的程序等
站在内核的角度来说：进程是担当分配系统资源(CPU时间，内存)的实体

3.1 OS管理进程：先描述再组织

我们任何启动程序的行为，都由操作系统帮助我们将程序转换为进程，完成特定的任务。

OS如何管理进程？
还是先描述再组织

3.2 描述进程-PCB

进程控制块（PCB，Process Control Block），进程信息被放在这样的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。
Linux操作系统的下的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。

所以 进程 = 内核关于进程的相关数据结构 + 当前的代码和数据

3.3 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

我们写出这样一段C语言代码并运行它

输入

ps axj | head -1 && ps ajx | grep  xxx| grep -v grep//xxx是可执行文件名称

即可查看该程序的进程

3.4 通过系统调用获取进程标识符

每个进程都会有对应的PID（进程id），也会有PPID（父进程id）

我们反复运行可以看到，每次运行，该程序的PID都不同，而父进程的ID都是一样的。
这里的父进程其实是bash，我们输入以下命令查看2707进程信息

ps axj | head -1 && ps ajx | grep 2707

这里说明了bash命令行解释器，本质上也是一个进程

3.5 通过系统调用创建子进程——fork

我们运行一下这段代码：

#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;
}

我们发现会发现打印了两行，说明该程序利用fork()创建了两个进程，而且是父子进程的关系。
fork有两个返回值
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）
fork 之后通常要用 if 进行分流
当fork返回值是0时，是子进程。
fork返回值大于0时，是父进程。
我们写一段代码验证一下：


可以明显地看到，fork出来的两个进程确实是父子进程的关系。
子进程的ppid一直都是父进程的pid，父进程的ppid也一直是bash的pid

4 进程状态

进程除了运行状态，还会有其他的状态。
我们看一下下面的状态在kernel源代码里的定义

/*
* 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 */
};

R运行状态（running）:其实运行状态并不代表该进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中或者是在运行队列里。因为在CPU在计算进程时，是将多个进程快速切换并逐一运行的，不是同时运行的，多个进程像队列一样排好队等待CPU计算。因为快速切换的时间非常短，所以我们人很难感觉到。
S睡眠状态（sleeping）:意味着程序在等待事件的完成。（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠）（interruptible sleep）。这里的睡眠状态，本质上是一种阻塞状态。
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。
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。

4.1 进程阻塞

进程阻塞是一种因为要等待某种条件就绪，而导致的一种不可推进的状态。
说的简单一点，就是该进程需要某种资源才能运行，否则就会卡住。
CPU要处理大量的进程，上面说过，OS要做进程进行管理，管理方式就是先描述，再组织。而我们的PCB可以被维护在不同的队列中，这些队列中都是一个个要被运行的进程，正在排队等待运行的进程的状态，可以看成阻塞状态。或者拿我们的外设键盘来说，如果我们执行了一个需要我们输入后才能运行的程序，在程序等待我们输入的过程中，这个过程就是阻塞状态，并不是运行状态。OS会创建一个相应的结构体task_struct去描述并组织管理这个进程。
所以阻塞就是不被调度，一定是因为当前进程需要某种资源，进程task_struct结构体需要在某种被OS管理的资源下排队。

4.2 挂起状态

前面我们说过，当进程阻塞时就是不被CPU调度，那么此时该进程会在内存里面占有一定的空间，如果这种进程非常多的话就会影响正常的进程运行，所以我们的OS会把这种不被调度的进程的代码和数据放在磁盘中，这种状态就叫做挂起状态，也可以说挂起阻塞状态。

4.3 僵尸（zombie）状态

僵尸状态（Z状态）可以和死亡状态(X状态)联系起来。
如果一个进程退出了，那么它会马上进入X状态，立即退出，那么由于写时拷贝的原因，我们的父进程可能会没有机会拿到子进程的退出结果。所以Linux当进程退出的时候，一般进程不会立即进入X状态，而是要维持Z状态，方便后续父进程或者OS读取该子进程退出的结果。

僵尸进程的危害：可能会造成内存泄漏。
一个进程的退出状态要一直被维持下去，直到父进程读取它的信息。如果父进程一直没有读取它的信息，那么该子进程就会一直维持僵尸状态。维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程的基本信息，所以保存在PCB中，Z进程不退出，PCB要一直维护，如果有大量的这种不被读取信息的进程，不被回收，就会造成内存资源的浪费，导致内存泄漏。

如果在没有特殊要求的情况，一个父进程结束后，会被bash回收，所以我们一般不会直接看到Z状态。

4.4 孤儿进程

如果一个父进程退出，而它的子进程还在，这个子进程会自动被1号进程领养（这个1号进程就是我们的OS），1号进程成为这个子进程的父进程，这种被领养的进程就叫做孤儿进程。
如果没有这种领养机制，那么子进程后续在退出的时候就没有父进程可以回收了，可能会浪费掉内存，这是不被OS认可的，所以OS会领养这种没有父进程的子进程。