【Linux操作系统】进程的基本概念（PCB对象）详解

一、进程的基本概念

在学习进程之前，我们可以简单的看一下我们Windows上正在进行的进程，
由上图可见，我们的计算机一次可以同时执行很多进程

进程的本质就是一个可执行文件，一开始存储在外存上，当把它加入到内存中时，就形成了一个进程

因此，你是不是认为，进程就等于加载到内存中的程序？又或者说是正在运行中的程序？

这些说法其实都是不完全正确的，一些课本也是这样说的

进程的定义：

• 进程是系统进行资源分配的基本单位，是操作系统结构的基础。
• 进程是担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体，是一个动态的概念
• 它是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动

那么，进程在系统中到底是以什么形式存在呢？

在这里我们首先下结论，进程不仅仅只有它的代码，还有负责管理它的内核数据结构（内核PCB）对象

进程 = 内核数据结构（内核PCB对象） + 可执行程序

二、进程的描述组织（PCB对象）

1.PCB的基本概念

我们从上面知道，计算机可以同时拥有大量的进程，我们的操作系统要如何去管理进程呢？这时就得引入我们的PCB对象

在将一个可执行程序加载到内存时，我们会先在内存中先创建一个结构体（task_struct）来描述我们的进程，也就是保存我们进程属性和进程信息

2.为什么要有PCB对象（操作系统对进程的组织管理）

比如在一个学校，里面有许多的学生，也就是进程，同时也有一个校长，也就是操作系统，我们的校长要怎么管理学生呢？

在一个学生被录取到学校时，先到学校的一定不是学生，而是这个学生所有的属性信息（也就是上面的结构体），学校会将这个学生的属性信息导入到学校的系统中，通过这些学生的属性信息通过这些属性信息来对学生进行管理

比如在学校在录取时，需要学生进行排队录取，会根据成绩的高低，也就是优先级来排队，在这里排队的肯定不是你本人过来排队，而是你的被学校导入的属性信息在排队，操作系统也是这样，也是要通过这种方式来进行进程的管理，比如我们以后会学到进程也要排队，这里排队的就是进程的PCB对象，而不是进程可执行程序的代码和数据

因此，在以后所有对进程的控制和操作，都只能和进程的PCB有关，和进程的可执行程序没有关系

且操作系统会通过一些数据结构来管理我们的PCB对象，如下图用链表管理进程PCB对象

所以我们得出结论，操作系统将对进程的管理，转化成对PCB对象的管理

3.PCB对象的内部属性（tast_struct结构体）

在Linux中描述进程的结构体叫做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。

task_ struct内容：

1.标示符: 描述本进程的唯一标示符，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，记账号等。
9.其他信息

task_struct结构体（看不懂系列）：

Linux中task_struct用来控制管理进程，结构如下：struct task_struct
{//说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息volatile long state; //Flage 是进程号,在调用fork()时给出unsigned long flags; //进程上是否有待处理的信号int sigpending;  //进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同mm_segment_t addr_limit; //0-0xBFFFFFFF for user-thead //0-0xFFFFFFFF for kernel-thread//调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度volatile long need_resched;//锁深度int lock_depth; //进程的基本时间片long nice;      //进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHERunsigned long policy;//进程内存管理信息struct mm_struct *mm;int processor;//若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0，否则是1 这个值在运行队列被锁时更新unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;//指向运行队列的指针struct list_head run_list;//进程的睡眠时间unsigned long sleep_time; //用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_taskstruct task_struct *next_task, *prev_task;struct mm_struct *active_mm;struct list_head local_pages;       //指向本地页面     unsigned int allocation_order, nr_local_pages;struct linux_binfmt *binfmt;  //进程所运行的可执行文件的格式int exit_code, exit_signal;int pdeath_signal;     //父进程终止是向子进程发送的信号unsigned long personality;//Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序int did_exec:1;pid_t pid;    //进程标识符,用来代表一个进程pid_t pgrp;   //进程组标识,表示进程所属的进程组pid_t tty_old_pgrp;  //进程控制终端所在的组标识pid_t session;  //进程的会话标识pid_t tgid;int leader;     //表示进程是否为会话主管struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;struct list_head thread_group;   //线程链表struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表struct task_struct **pidhash_pprev;wait_queue_head_t wait_chldexit;  //供wait4()使用struct completion *vfork_done;  //供vfork() 使用unsigned long rt_priority; //实时优先级，用它计算实时进程调度时的weight值//it_real_value，it_real_incr用于REAL定时器，单位为jiffies, 系统根据it_real_value//设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时，向进程发送SIGALRM信号，同时根据//it_real_incr重置终止时间，it_prof_value，it_prof_incr用于Profile定时器，单位为jiffies。//当进程运行时，不管在何种状态下，每个tick都使it_prof_value值减一，当减到0时，向进程发送//信号SIGPROF，并根据it_prof_incr重置时间.//it_virt_value，it_virt_value用于Virtual定时器，单位为jiffies。当进程运行时，不管在何种//状态下，每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时，向进程发送信号SIGVTALRM，根据//it_virt_incr重置初值。unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;struct timer_list real_timer;   //指向实时定时器的指针struct tms times;      //记录进程消耗的时间unsigned long start_time;  //进程创建的时间//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];//内存缺页和交换信息://min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数（Copy on　Write页和匿名页）和主缺页数（从映射文件或交换//设备读入的页面数）； nswap记录进程累计换出的页面数，即写到交换设备上的页面数。//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数，主缺页数和换出页面数。//在父进程回收终止的子进程时，父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出//进程认证信息//uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符，通常是进程创建者的uid，gid//euid，egid为有效uid,gid//fsuid，fsgid为文件系统uid,gid，这两个ID号通常与有效uid,gid相等，在检查对于文件//系统的访问权限时使用他们。//suid，sgid为备份uid,giduid_t uid,euid,suid,fsuid;gid_t gid,egid,sgid,fsgid;int ngroups; //记录进程在多少个用户组中gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组//进程的权能，分别是有效位集合，继承位集合，允许位集合kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;int keep_capabilities:1;struct user_struct *user;struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS];  //与进程相关的资源限制信息unsigned short used_math;   //是否使用FPUchar comm[16];   //进程正在运行的可执行文件名//文件系统信息int link_count, total_link_count;//NULL if no tty 进程所在的控制终端，如果不需要控制终端，则该指针为空struct tty_struct *tty;unsigned int locks;//进程间通信信息struct sem_undo *semundo;  //进程在信号灯上的所有undo操作struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时，他在该队列中记录等待的操作//进程的CPU状态，切换时，要保存到停止进程的task_struct中struct thread_struct thread;//文件系统信息struct fs_struct *fs;//打开文件信息struct files_struct *files;//信号处理函数spinlock_t sigmask_lock;struct signal_struct *sig; //信号处理函数sigset_t blocked;  //进程当前要阻塞的信号，每个信号对应一位struct sigpending pending;  //进程上是否有待处理的信号unsigned long sas_ss_sp;size_t sas_ss_size;int (*notifier)(void *priv);void *notifier_data;sigset_t *notifier_mask;u32 parent_exec_id;u32 self_exec_id;spinlock_t alloc_lock;void *journal_info;};

三、查看进程

1.ps指令

用于查看进程状态，常用于系统管理和故障排除。

使用该命令可以列出当前系统中正在运行的进程，以及它们的PID、CPU利用率、内存占用等信息。

选项：

-a：显示所有用户的进程（等同于-e选项）。
-u：以用户为主的格式来显示进程信息。
-x：显示没有控制终端的进程。
-f：全格式显示，包括UID、PID、PPID、C、STIME、TTY、TIME、CMD等信息。
-e：显示所有进程

ps命令会结合多个选项来使用，以便更精确地控制输出的信息

常用：

ps ajx | head -1 

查看当前系统中所有进程

2.top指令

提供了一个动态的视图，展示了系统中各个进程的资源占用情况，包括 CPU 使用率、内存占用、运行时间等，以及系统的整体状态，如 CPU 和内存的负载情况。

PID：进程ID
USER：运行该进程的用户
PR：进程的优先级
NI：nice值，用于调整进程的优先级
VIRT：虚拟内存使用量
RES：常驻内存使用量
SHR：共享内存大小
S：进程状态（如S表示睡眠，R表示运行）
%CPU：CPU使用率 %MEM：内存使用率
TIME+：进程使用的CPU时间总计
COMMAND：启动进程的命令名或命令行

top 命令显示的是实时的系统状态，因此它会定期更新显示的信息（默认是每3秒更新一次）。
你可以通过按 d 键和 s 键来自定义更新的间隔时间和延迟时间

3.通过 /proc 系统文件夹查看

所有进程都会在Linux 下的这个【proc】目录中