Linux进程的概念

一：冯诺依曼体系结构

什么叫做体系结构？？？

计算机组成 / 芯片架构

输入单元：键盘、话筒、摄像头、usb、鼠标、磁盘（ROM）/ssd、网卡、显卡

存储器：内存（RAM）

中央处理器（CPU）：寄存器、各种级别的缓存（cache）

输出单元：显示器、喇叭、打印机、磁盘、网卡、显卡

计算机里面的几乎所有的设备，都有数据存储的能力！！!

CPU这个设备，他的数据处理速度是非常快的，然后是内存，然后是各种外设（磁盘）。

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程序在运行之前，必须先加载到内存？为什莫？

程序 = 代码 + 数据

最终都要CPU来执行处理，CPU需要先读取到这些代码和数据，而CPU只和内存有“数据（二进制层面）”层面的交互，但是形成的 exe，本质就是一个文件，只能在磁盘（外设）中保存。所以必须要在程序运行之前先加载到内存中。

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二：操作系统

1.什么是操作系统？

操作系统（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。
操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其他软件的接口。操作系统的功能包括管理计算机系统的硬件、软件及数据资源，控制程序运行，改善人机界面，为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，提供了各种形式的用户界面，使用户有一个好的工作环境，为其它软件的开发提供必要的服务和相应的接口。

操作系统是一款软件，进行软硬件资源管理的软件。

2.为什么要有操作系统？

操作系统将软硬件资源管理好（手段），

给用户提供良好的（稳定，高效，安全）使用环境（目的）。 

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如何管理呢？？？

什么是真正的管理者？（做决策/做执行）做决策，如何做正确的决策 ---> 根据完善的数据

示例：在学校中，管理者是校长，但与学生接触最多的是辅导员。

校长（做决策）   辅导员（做执行）   学生（被管理）

校长为了更方便的管理学生，可以制作一个execl表格，将学生的各项信息填入表格中，当数据发生变动时，在表格中进行修改，但这种方法很不方便 ---> 创建结构体，存放学生的各项信息，并将其各个节点连接起来组成链表，校长就可以直接对链表进行增删查改，不需要每天盯着表格操作。 管理的本质不是管人，而是管理数据。上述的描述，本质上就是一个建模的过程。

先描述，再组织 任何管理工作都可以经过这六个字进行计算机建模！！！

下图是，操作系统对软硬件：

 操作系统并不直接和硬件打交道，那么如何将其管理好？是通过（硬件相对的）数据管理的，通过驱动程序拿到数据。

操作系统管理：核心是：进程管理、内存管理、文件/IO管理、驱动管理。

3.系统调用和库函数的概念

系统调用：操作系统不相信任何用户，但又不得不向我们提供服务，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

库函数：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。

三：进程

 1.基本概念

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配的基本单位，是操作系统结构的基础。

进程 = 可执行程序 + 内核数据结构（PCB）

2.描述进程

<1>: 如何描述进程---PCB

进程信息被放在一个叫做进程控制的块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。

这个数据结构叫做PCB --- Linux操作系统下的PCB是 task_struct。

<2>：task_struct 内容分类

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

<3>: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。 

3.通过系统调用获取进程标识符

进程 id (PID)

父进程 id (PPID)

 示例：

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

 运行结果为：

 在命令行中，父进程一般为命令行解释器（bash)。

4.通过系统调用创建进程 --- fork 初识

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fork 函数：

返回值：有两个返回值，一个返回父进程的子进程的 id,还有一个是子进程的 id （子进程 id 返回0说明，子进程创建成功，反之不成功）。 

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示例：

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

代码运行结果为：

我们发现，一个 printf( ) 函数打印了两次，而且两次打印的 ret  值不同，为什么会出现  这种现象?

只有父进程执行 fork 之前的代码，fork 之后，父子进程都要执行后续的代码，即 printf 函数既要被父进程执行一次，又要被子进程执行一次，所以在此处，会出现打印两次的情况。

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<1>:为什么 fork 之后会有两个返回值？

在 fork（）函数体内，函数返回 id 前已经完成了子进程的创建，既然完成了子进程的创建，那么子进程就也会去到运行队列中，等待CPU调度，父子进程共享代码，数据各自开空间。由于返回值id是数据，所以虽然id的变量名相同，但是内存地址不同，所以返回的id是不同的。

<2>:fork 两个返回值，为什么给父进程返回子进程的 pid ，给子进程返回0？

父进程返回子进程 id , 父进程可以直接找到子进程，子进程返回 0 表示创建进程成功。  

<3>:fork 之后，父子进程的运行顺序是什么样的？

创建完成子进程，只是一个开始，创建完成子进程之后，系统的其他进程，父进程和子进程，接下来都要被调度执行，当父子进程的PCB都被创建并在队列中排队的时候，哪一个进程的PCB先被选择调度，那个进程就先运行！即父子进程运行的顺序是不确定的，它由操作系统自主决定，由各自的PCB中的调度信息（时间片、优先级等）+ 调度器的算法共同决定。

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fork() 之后一般要 if 分流：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//子进程printf("我是子进程,pid：%d ,ppid: %d\n",getpid(),getppid());}else{printf("我是父进程,pid：%d ,ppid: %d\n",getpid(),getppid());}sleep(1);return 0;
}

代码运行结果为：

四：进程状态

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• 运行状态(R) 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。
• 睡眠状态(S)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。
• 磁盘休眠状态(D) 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。
• 停止状态(T)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。
• 死亡状态(X)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。

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1.进程状态的查看

查看进程状态的命令：

ps aux / ps axj

运行结果为： 

 

2.僵尸进程

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概念：进程退出了，但是还没有被父进程/操作系统（OS）读取，操作系统（OS）必须维护这个退出进程的PCB结构，此时，该进程的状态为僵尸状态（Z）。等到父进程或者操作系统（OS）读取之后，PCB的状态先被改成死亡状态（X）状态，才会被释放。

如果一个僵尸进程的父进程没有回收该进程，那么该进程的PCB将一直存在，如果我们不及时回收，会存在内存泄露的风险。

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示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//子进程int i = 5;while(i){printf("我是子进程,pid：%d ,ppid: %d ,i: %d\n",getpid(),getppid(),i);sleep(1);i--;}}else{while(1){printf("我是父进程,pid：%d ,ppid: %d\n",getpid(),getppid());sleep(1);}    }return 0;
}

在此处我们使用以下内容检测进程的运行状态：

while :;do ps aux | grep mycode | grep -v grep;sleep 1;echo "---------------------";done

运行结果为：

3.孤儿进程

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概念：子进程的父进程先退出，此时子进程就称为孤儿进程，孤儿进程要被1号init进程领养，由init进行回收。

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示例：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){//子进程printf("我是子进程,pid：%d ,ppid: %d\n",getpid(),getppid());sleep(10);}else{printf("我是父进程,pid：%d ,ppid: %d\n",getpid(),getppid());sleep(3);exit(0);}return 0;
}

运行结果为：

4.进程优先级

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基本概念：

• cpu资源分配的先后顺序，就是进程的优先权。
• 优先权高的进程有优先执行的权利，配置进程优先权对多任务环境的linux很实用，可以改善操作系统性能。
• 还可以把进程运行在指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统的整体性能。

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查看系统进程：

top

 运行结果为：

通过上述图片，我们可以从中看到以下几个内容：

UID：代表执行者的身份

PID：代表这个进程的信号

PPID：代表这个进程是由那个进程发展衍生而来的，既父进程

PRI：代表这个进程可被执行的优先级，值越小越先被执行

NI：代表这个进程的 nice 值

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Linux进程的优先级数值范围为 60-99 (40个)

Linux中默认进程的优先级为 80

Linux支持动态优先级调整，那么如何调整？

nice值：进程优先级的修正数据

pri(新) = pri(旧) + nice 且 pri(旧) =80

用 top 命令更改已存在进程的 nice：

进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入 nice 值 

nice 调整的最小值为-20，nice 调整的最大值为19。

nice 值超出最大最小调整范围时，超过部分按最大/最小计算。

为什么要把优先级限定在一定的范围内？？？

操作系统(OS)调度的时候，较为均衡的让每一个进程都要得到调度，这样比较公平。

如果不加以限制，可能会导致优先级较低的进程，长时间得不到CPU资源 --- 进程饥饿。

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5. 其他概念

• 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。

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