Linux 04：进程概念

1. 操作系统(Operator System)

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）。
其他程序（例如函数库，shell程序等等）。

设计OS的目的

与硬件交互，管理所有的软硬件资源。
用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。

定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件。

如何理解 "管理"

描述被管理对象。
组织被管理对象。

系统调用和库函数概念

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，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. 进程

基本概念

课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等
内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

描述进程-PCB

进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。
课本上称之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是: task_struct

task_struct是PCB的一种

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[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

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。

查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看。
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。

通过系统调用获取进程标示符

进程id（PID）
父进程id（PPID）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>

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

通过系统调用创建进程-fork初识

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。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    if(ret < 0){
    perror("fork");
    return 1;
}
else if(ret == 0){ //child
    printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}else{ //father
    printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}
    sleep(1);
    return 0;
}

3. 进程状态

进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

R运行状态（running）: 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。
S睡眠状态（sleeping): 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（interruptible sleep））。
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。

Z(zombie)-僵尸进程

僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程（使用wait()系统调用,后面讲）没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程
僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。
所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id > 0){ //parent
        printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
        sleep(30);
    }else{
        printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    return 0;
}

有兴趣可以用这一段代码，观察一下僵尸进程的产生。

僵尸进程危害

进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态。
维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护。
那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！
内存泄漏。

孤儿进程

父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”。
父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？
孤儿进程被1号init进程领养，最后要由init进程回收。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id == 0){//child
        printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
        sleep(10);
    }else{//parent
        printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

有兴趣可以用这一段代码，观察一下孤儿进程的产生（子进程ppid的变化）。

4. 进程优先级

基本概念

cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。
优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。
还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能。

查看系统进程

在linux或者unix系统中，用ps –l命令则会类似输出以下几个内容：

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

UID : 代表执行者的身份。
PID : 代表这个进程的代号。
PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号。
PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行。
NI ：代表这个进程的nice值。

PRI 和 NI

PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。
那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值。
PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice。
这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值。
nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

PRI vs NI

需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据。

查看进程优先级的命令（top）

用top命令更改已存在进程的nice：

top
进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

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。

5. 环境变量

基本概念

环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数。
如：我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。
环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性。

常见环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径。
HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)。
SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。

查看环境变量方法

echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

和环境变量相关的命令

echo: 显示某个环境变量值。
export: 设置一个新的环境变量。
env: 显示所有环境变量。
unset: 清除环境变量。
set: 显示本地定义的shell变量和环境变量。

环境变量的组织方式

每个程序都会收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以’\0’结尾的环境字符串。

通过代码如何获取环境变量

命令行第三个参数

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{
    int i = 0;
    for(; env[i]; i++){
        printf("%s\n", env[i]);
    }
    return 0;
}

通过第三方变量environ获取

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    extern char **environ;
    int i = 0;
    for(; environ[i]; i++){
        printf("%s\n", environ[i]);
    }
    return 0;
}

libc中定义的全局变量environ指向环境变量表,environ没有包含在任何头文件中,所以在使用时要用extern声明。

通过系统调用获取或设置环境变量。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    printf("%s\n", getenv("PATH"));
    return 0;
}

常用getenv和putenv函数来访问特定的环境变量。

环境变量通常是具有全局属性的

环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    char * env = getenv("MYENV");
    if(env){
        printf("%s\n", env);
    }
    return 0;
}

直接查看，发现没有结果，说明该环境变量根本不存在

导出环境变量

export MYENV="hello world"

再次运行程序，发现结果有了！说明：环境变量是可以被子进程继承下去的！

提示：为什么上述实验能证明环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去？

因为当我们打开Linux时，我们输入的命令能被执行是因为我们一开始启动了bash进程，一个命令行解释器，我们通过bash打开的进程都是bash的子进程，当我们在bash命令行中输入“export MYENV="hello world""，就是往bash的环境变量中添加了自定义的环境变量，最终证明上述结果与结论。