Linux之创建进程、查看进程、进程的状态以及进程的优先级

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前言

本文介绍了创建进程、查看进程、进程的状态以及进程的优先级相等关概念

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一、初识fork

通过系统调用fork创建子进程。

1.演示

文件test.c

运行结果：

2.介绍

fork的头文件为unistd.h
fork的返回值：父进程会返回子进程的pid，子进程返回0（一个子进程只有一个父进程，但是有个父进程可以有无数个子进程，一次要将子进程的pid返回给父进程，而子进程不需要）

3.将子进程与父进程执行的任务分离

根据父子进程的返回值不同：
文件test.c

运行结果：

4.多进程并行

文件test.c

运行结果：

二、进程的状态

1.进程的状态都有哪些？

进程的状态有很多：运行、就绪、挂起、阻塞等等。
进程有这么多不同的状态，本质上是为了满足不同的运行场景。
具体的进程状态：

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状态，他只是表明进程在运行队列里。

• S睡眠状态（sleeping）：意味着进程正在等待时间完成（这里的睡眠也成为可中断睡眠/浅度睡眠（interruptible sleep））。
  例子：进程从运行到访问外设再到访问外设完毕这段时间进程处于睡眠状态。

• D磁盘休眠状态（Disk sleep）：也叫做不可中断睡眠状态，该状态的进程通常会等待I/O的结束。该进程不能被操作系统kill掉。
  例子：某一个进程向磁盘发布了写东西的任务（例如：要求写0~100到文件上），那么磁盘就会去完成这个任务，此时进程处于等待状态。如果恰好操作系统内的资源紧缺，操作系统有权利自主杀掉一些不干事情的进程（未处于运行状态），该进程就会被操作系统杀死。由于外设的运行速度很慢，等到外设完成任务回来寻找对应的进程交代任务结果时，发现该进程无法被唤醒（该进程已经被杀死了），这就会导致磁盘内对应数据的丢失。因此，为了避免这种情况出现，我们将一些特殊的进程赋予D状态（相当于免死金牌，避免操作系统将它杀死），这样它只能等对应的I/O完成才会重新变为其他状态。

• T停止状态（stopped）：可以通过发送SIGSTOP信号给进程来停止进程（该进程处于T状态），然后可以给这个被暂停的状态发送SIGCONT信号，让该进程继续运行（当一个前台进程被暂停后，又被恢复继续运行时，前台进程会转为后台进程，此时进程无法被ctrl + c终止，只能用kill -9 （进程pid）终止进程）。

• X死亡状态（dead）：该状态只是一个返回状态，不会在任务列表中看到这个状态。

• 还有两个特殊的状态：僵尸状态和孤儿状态在后续内容会详细讲解。

2.查看进程的状态

ps aux或者 ps ajx 命令可以查看进程的状态。

2.运行（R）

1. 一个CPU一个运行时队列；
2. 让进程进入运行时队列，本质是将该进程的task_struct结构体放入运行队列中；
3. 进程PCB在runqueue时，该进程就是运行状态（R），而不是该进程在运行时才算；（CPU很快，可以将运行队列中的进程很快的过一遍，因此运行队列里都是处于运行状态）
   状态 ->进程内部的属性 -> task_struct -> int(1:run ; 2:run ; 3:run ; 4:run)，进程的状态本质就是进程PCB中的一个整型值。
4. 不要以为只有CPU会被多进程访问，硬件设备也是稀缺资源，也会被多进程访问。
5. 所谓的进程的不同状态，本质是进程在不同的队列中等待某种资源（将task_struct结构体对象放入不同的的等待队列）。

3.阻塞

1. 外设硬件的访问速度是很慢的（相对CPU），但是进程或多或少都需要访问它，但是在多进程同时访问硬件设备时，也只有少量的进程（竞争力强的）可以访问到它。
2. 当有其他进程在访问该设备时，其他进程只能等待。等待中的进程将从运行时队列中取出，放入该设备对应的阻塞（等待）队列中，此时该进程处于阻塞状态。
3. 等到设备空余出来（没有进程访问的时候），OS会知道它好了，然后OS就会等待的该进程的状态由阻塞改为运行（R），在将该进程放入运行时队列即可机械运行。

4.僵尸进程（Z）

1.僵尸状态概念

一个小栗子
一天，张三在路上跑步，突然路边有一个人死亡了，张三立刻打电话给警察局，那么在这个路人死亡的那一瞬间直到警察查明他的信息以及死亡原因的这一过程就相当于处于僵尸状态（死了，但是别人不知道他死了）。

1. 当子进程退出，但是父进程没有（通过wait()系统调用）读取子进程的退出状态代码时，就会导致子进程处于僵尸状态。
2. 僵尸进程会议终止状态保持在进程表中，并且一直等待父进程读取退出状态代码。
3. 因此，只要子进程退出，父进程还在匀称并且没有读取子进程的状态，子进程就进入僵尸状态。

2.为什么要有僵尸状态？

进程被创建是为了完成分配给他的任务，当然生活中有些事情需要返回结果，有些事情不需要，但是作为一个程序它无论你需不需要知道结果，它都得将任务的执行情况返回。程序退出时不能立即释放程序中的所有资源，而是需要保持一段时间，让父进程/OS读取它的退出代码。
退出程序和释放程序的资源之间的一段时间程序是处于僵尸状态（注意：僵尸状态是一个问题），进程推出时没有立即回收它的退出代码。

3.僵尸状态的例子

创建一个子进程，让父进程不要退出，并且什么也不干（不回收子进程），让子进程退出（exit(0)头文件是stdlib.h），这时子进程就处于僵尸状态。

3.僵尸状态的危害

1. 进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉它的父进程（或者0S），你交给我的任务，我办的怎么样了（即，结果如何）。如果父进程一直不读取，子进程就会一直处于Z状态。
2. 维持退出状态本身也是需要数据维护的，也属于进程的基本信息，因此它是保存在task_struct（PCB）中的。当然，如果Z状态一直不退出，该PCB就要一直被维护。
3. 如果推广父进程创建了很多子进程，但是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费（内存泄漏）？
   数据结构对象本身就要占内存（C中定义一个结构体变量/对象，是需要在内存的某个位置开辟空间的）

5.孤儿进程

那么问题来了，如果父进程先退出，子进程再退出进入Z状态后，又该怎么办呢？

1. 父进程先退出的话，它的子进程就被称为“孤儿进程”。
2. 孤儿进程会被操作系统的1号init进程领养，它的资源由init进程回收。

三、进程的优先级

1.优先级概念

1.权限与优先级

权限是限制是否可以做某事，优先级是限制做某事的顺序（先做还是后做）。

2.什么是优先级

• 获得某个资源的顺序（是先获得该资源还是后获得该资源）。
• 优先级和进程的状态一样本质是是进程PCB中的一个（或几个）整型数字，Linux中的优先级是用两个整型数表示的。

3.为什么存在优先级

因为资源是有限的，但是有很多进程都想申请资源。

4.特性

• 竞争性：
  系统的进程众多，但是CPU资源只有少量（甚至只有一个），所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更加合理的竞争相关的资源，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，同时进行运行，这称之为并行。
• 并发：
  多个进程在单个CPU下采用进程切换（CPU采用轮转的方式，给每个进程一定的时间片运行，进行进程切换）的方式，在一段时间内多个进程一同推进，称之为并发。

2.查看系统进程

在Linux/Unix系统中，用ps -la命令可以查看进程的信息。

UID：该代表执行者的身份
PID：该进程的代号
PPID：该进程是由哪个进程发展衍生来的（即该进程的父进程的PID）
PRI：该进程可被执行的优先级
NI：该进程的nice值

3.PRI和NI

• PRI：进程的优先级，该值越小优先级越高；
• NI：进程的nice值，表示进程可以被执行的优先级的修正数值（调节进程优先级）
• PRI（new） = PRI（old）+ NI;
• 当nice值为负值时，该进程的优先级值会变小，优先级会变高，越快被执行；
• nice的取值范围为-20到19，总共40个级别。

4.修改进程的优先级

在Linux中修改进程的优先级是通过修改PRI和NI。也就是说，进程的优先级是受到nice值的影响的，但是默认情况下nice值为0.
新的优先级 = 老的优先级 + NI

注意：老的优先级指80（即，一旦要修改进程的优先级，无论它之前的优先级为多少都将老的优先级设置为80！），其中NI是nice值，他的取值范围为[-20，19]，这意味着优先级是有取值范围的[80 - 20，80 + 19]。

修改进程的优先级，就是修改nice值。
命令是：

sudo top

1. 步骤1：sudo top
2. 步骤2：进入top后，输入r然后输入进程的pid（进入该进程），输入要修改的nice值。

注意：调整进程的优先级不代表可以随意调整，这种做法是操作系统不允许的，会导致调度失衡，因此有一定的取值范围。

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文介绍了创建进程、查看进程、进程的状态以及进程的优先级相等关概念。本文作者目前也是正在学习C++相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。
最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！