进程概念详解

目录

进程是什么？

描述进程：进程控制块-PCB

task_struct 

task_struct 是什么？

task_struct内容分类

组织进程 

查看进程 

fork创建子进程

进程状态 

 僵尸进程

孤儿进程 

进程优先级 

其他概念 

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进程是什么？

一般书上说：进程是运行当中的程序，是担当分配资源的实体。

那么？程序是如何被运行的呢？

我们写好程序代码后，会将程序文件存储到磁盘中，要运行一个程序，首先会将程序代码文件加载到内存中，然后由cpu去运行。

但是，只要程序被加载到内存，它就是一个完整的进程吗？进程和程序仅仅是存储位置不同吗？

当然不是，进程需要消耗资源，那么它就一定会被操作系统所进行管理。

操作系统要管理：首先要先描述，再组织。

那么操作系统如何对进程进行管理呢？

描述进程：进程控制块-PCB

当程序被加载到内存后，操作系统会为该程序创建进程控制块，简称PCB，PCB当中存储着该进程属性的集合。

所以，完整的进程是什么？

进程=程序代码数据+相关数据结构(也就是进程控制块)。 

  

task_struct 

task_struct 是什么？

task_struct 是linux当中描述进程的结构体，它存储着进程信息。

task_struct与PCB的关系就是，task_struct是一种具体的PCB,它是linux环境下具体的PCB。 

task_struct内容分类

 标识符：描述本进程的唯一标识，简称PID。

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 ：包括程序代码和相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块指针。

 上下文数据：进程执行时，处理器的寄存器当中该进程的数据。（下文详解）

I/O状态信息：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。

记账信息：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。

 其他信息

组织进程 

每个进程都对应着一个进程控制块，操作系统将这些进程控制块用链表形式组织起来，这样对于进程的管理，就变成了对链表的增删查改。

 

查看进程 

获取PID：getpid()

获取PPID:getppid(),PPID表示父进程的ID。

getpid(),getppid()属于系统调用，头文件为sys/types.h 

我们使用的XShell软件本质就是一款命令解释器，我们输入指令后，shell不会自己去解释指令，而是会产生子进程bash去解释这条指令给内核。

为什么要这么做呢？因为如果我们输入了错误指令，产生了错误影响，不能影响我xshell运行，

就相当于某公司员工出了问题，为了不影响公司声誉，公司对外宣称该员工与公司无关。

这样即使出了问题，也不影响公司的整体运行。

这样就由bash来解释这条指令，bash进程就是该指令的父进程。 

每个进程被创建后，会在/proc目录下以该进程PID为名形成目录。 

我们可以通过ls /proc/pid查看该进程

 

 下面我们通过ls -l指令查看该进程详细信息。

 两个重要概念：cwd：表示当前工作目录，程序当中创建文件，默认在该目录下。

                           exe：表示当前执行的程序是谁。

我们也可以通过其他指令查看进程信息。

 ps axj 或 ps ajx或 top

 

fork创建子进程

 fork属于系统调用，作用是创建子进程。

fork函数有两个返回值，对于父进程返回子进程pid，对于子进程返回0

 通过fork函数，可以让一个程序产生两个不同的结果。

通过fork创建的子进程，子进程的PCB以父进程为模板构建，子进程的代码完全和父进程共享，因为代码是不可以被更改的，而父子进程的数据是临时共享的，当父子进程数据要更新时，会发生写时拷贝，因为进程之间是相互独立的，为了防止一个进程数据改变时影响另一个进程，所以在数据发生改变时，对数据拷贝再更改，保证进程之间的独立性。

进程状态 

 下面展示linux状态源码：

/*
* 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 */
};

为什么要设置这么多状态？

因为系统资源很少，而进程又很多，不是说进程想干嘛就干嘛，为了保证平衡，所以要合理分配系统资源。

而系统中调度模块就是为了较为平衡分配资源而存在的。

R状态：并不意味着进程在被运行，它表明进程要么在运行中，要么在运行队列里。

S状态：休眠状态，等待事件完成，可以被唤醒。

D状态：深度休眠状态，与S状态相似，但是不可被操作系统杀死。

T状态：暂停状态，无法被唤醒。

X状态：死亡状态

Z状态：僵尸状态

当进程所需资源充足，满足运行条件时，该进程的PCB会被调度模块分配到运行队列中，等待cpu运行，而其他不满足运行条件的进程，被放在等待队列中，称为挂起或阻塞状态。

但是为什么R状态并不意味着该进程一直在运行呢？

还是因为资源问题，你这个进程要运行10s，操作系统要是一直让你运行，其他进程怎么办呢？

所以，我们从资源管理器中看到很多进程占用资源，好像一直在运行，这是错误的。

看似好多进程一直在运行，其本质是操作系统根据时间片(单个进程的单次运行最长时间，灰常短)，快速切换进程运行的结果。

运行队列进程处于R状态，而等待队列进程处于S或D或T状态。 

 当系统负载高时，资源不够用，操作系统可能会杀掉S状态，而D状态进程处于深度睡眠，不可中断，即使你是操作系统也无法给他杀掉（D状态就是爷，不干事，你也管不了我）。

 到这里，问题又来了，既然操作系统不让进程一直运行，一直在切换，那么我怎么知道你这个程序运行到哪一步呢？

因为只有一份寄存器，所以进程在离开时，要将数据拷贝一份，再下次回来运行的时候，再把数据拷贝回寄存器，然后接着运行。

这种与进程强相关的临时数据就被称作上下文数据。

T状态 ：

我们可以通过发送SIGSTOP 使进程进入T状态，也就是发送SIGCONT使进程退出T状态。

  

我们可以发现退出T状态后S少了+号，这表示该进程由前端运行变成后端运行，后端运行时，我们可以输入命令，而前端不行。

 X,Z状态：

当程序执行完毕，直接退出是不行的！操作系统需要知道你这个程序是正常结束，还是非正常结束，要是没有这一步，万一出错，谁背锅？

所以，在程序执行完毕后，该进程会先进入Z状态，也就是僵尸状态，此时由父进程读取其退出码，

读取完毕后，进入X状态，也就是死亡状态，接着才被操作系统释放。

我们无法观测到X状态，因为一进入X状态，该进程立马就被释放了。

 僵尸进程

 处于僵尸状态的进程就是僵尸进程。

下面举一个例子：父进程一直处于运行态，不读取子进程退出码，此时子进程就会一直处于僵尸状态。 

 

 那么，僵尸进程有什么危害呢？

僵尸状态必须一直持续，直到父进程读取它的退出码。

僵尸状态也需要被维护。维护僵尸状态就是要维护它的数据信息，PCB。

那么一直不回收就是造成内存资源浪费，造成内存泄漏。

孤儿进程 

 子进程没噶，父进程先噶，此时子进程会被1号进程接管。

这种进程就叫孤儿进程。

进程优先级 

 进程优先级，表示cpu资源分配的先后。

 优先级高，先分配。

 通过优先级，可以极大提高系统性能。

查看系统进程优先级：ps -al 

进程优先级为PRI,值越小优先级越高。

而NI表示nice值，表示优先级修正值。 

默认PRI为80

PRI（new）=PRI(old)（默认为80）+ NI

 NI有40哥级别，-20到19.

修改nice值：top指令 进入后按r 

其他概念 

竞争性：进程数目多，而cpu只有几个，甚至一个，所以进程之间具有竞争属性，为了高效运行，便有了优先级。

独立性：多个进程之间，独立享受资源，运行期间互不干扰。

并发性：多个进程在一个cpu下通过切换，不同时运行，一段时间内，让多个进程都得以推进。

并行性：多个进程在多个cpu下分别执行，同时运行。