Linux：进程的概念，进程相关函数

一、进程的概念

1.进程

进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单元，它是操作系统结构的基础。进程是程序的一次执行过程，包含了程序代码、当前活动、系统资源（如CPU、内存、文件等）的使用情况等信息。每个进程都有自己独立的内存空间和系统资源。

2.pcb

pcb 是 Process Control Block（进程控制块）的缩写,即进程控制块，是操作系统中用于存储进程管理所需信息的数据结构。它记录了操作系统的进程管理所需要的所有信息，包括：

PID（进程标识符）：唯一标识一个进程。
当前工作路径：进程当前的工作目录，通过chdir等系统调用可以改变。
umask：文件创建掩码，影响新创建文件的权限。例如，umask 0002意味着新创建的文件默认不允许组用户和其他用户写入。
打开的文件列表：进程打开的所有文件及其相关信息，如文件描述符、文件模式等。
信号相关设置：处理异步事件，如中断、错误等。进程可以定义对不同信号的处理方式（忽略、捕捉或默认处理）。
用户ID和组ID：执行该进程的用户和组的身份标识。
进程资源的上限：系统为该进程分配的资源上限，如最大打开文件数、最大内存使用量等。可以通过ulimit -a命令查看或设置这些限制。

3.进程和程序的区别

静态与动态：
- 程序：是静态的，它是一组指令和数据的集合，存储在非易失性存储介质（如硬盘）上。程序本身不执行任何操作，它只是等待被执行。
- 进程：是动态的，它是程序在计算机上的一次执行过程。它包含了程序代码、数据以及系统分配给该程序的各种资源（如内存空间、文件描述符等）。进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。
存在性与生命周期：
- 程序：是永存的，只要存储介质没有损坏，程序就可以一直存在。
- 进程：是暂时的，有生命周期，包括创建、运行、等待、挂起、终止等状态。一旦进程执行完毕或被系统终止，它就不再存在。
状态变化：
- 程序：没有状态变化，它只是静态的代码和数据集合。
- 进程：有状态变化，如运行状态、就绪状态、阻塞状态等。进程的状态会随着执行过程中的事件（如I/O操作、时间片结束等）而发生变化。
并发性：
- 程序：没有并发性，它只是一个代码和数据的集合，不会自己执行。
- 进程：具有并发性，系统中可以同时运行多个进程，这些进程之间可能并发执行，也可能并行执行（在多处理器或多核处理器上）。
资源竞争：
- 程序：不直接涉及资源竞争，因为它不直接执行。
- 进程：进程之间会存在资源竞争，因为它们可能同时需要访问CPU、内存、I/O设备等资源。操作系统通过调度算法来管理这些资源，确保进程的公平性和高效性。
与程序的关系：
- 一个程序可以多次运行，每次运行都会创建一个新的进程。因此，一个程序可以对应多个进程。
- 一个进程可以执行一个或多个程序，特别是在现代操作系统中，一个进程可以加载并执行多个模块或库。
内存分布：
- 在许多操作系统中（如Linux），进程的地址空间被划分为用户空间和内核空间。用户空间通常位于低地址区域（如0-3G），用于存储进程的代码、数据等；内核空间位于高地址区域（如3G-4G），用于存储操作系统代码和数据，以及实现进程调度、内存管理等核心功能。这种划分是虚拟的，通过内存管理单元（MMU）和页表实现物理内存和虚拟内存之间的映射。

4.进程的分类

进程分类： 1、交互式进程

2、批处理进程 shell脚本

3、守护进程

*5.进程的状态：

3个状态，就绪→执行态→阻塞（等待，睡眠）基本操作系统

linux中的状态，运行态，睡眠态，僵尸，暂停态。

6.进程的作用

资源封装：进程封装了运行程序所需的资源，使得操作系统能够方便地对这些资源进行管理和调度。
执行程序：进程是程序执行的载体，操作系统通过创建进程来执行程序，实现程序的动态运行。
实现并发：操作系统通过创建多个进程，可以在同一时间段内执行多个任务，从而提高系统的整体效率和吞吐量。
系统安全：通过进程隔离，操作系统可以防止不同进程之间的相互干扰，保证系统的安全性和稳定性。

7.并发与并行的区别

定义：
- 并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，但这些事件并不是同时发生的。在操作系统中，并发通常指的是多个进程或线程在宏观上同时运行，但在微观上（即CPU的指令执行层面）是交替执行的。
- 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。在并行计算中，多个任务可以同时被执行，因为它们被分配到不同的处理器或处理单元上。
资源需求：
- 并发通常不需要额外的硬件资源，它主要通过时间片轮转、上下文切换等机制来实现多个任务的交替执行。
- 并行则需要额外的硬件资源来支持，如多核处理器、分布式计算环境等，以便能够同时执行多个任务。
效率与速度：
- 并发虽然可以在宏观上提高系统的整体效率，但在单个任务的执行速度上并没有明显的提升。
- 并行则能够显著提高单个任务的执行速度，因为它允许多个任务同时执行，从而减少了总体执行时间。

while (1) {  
    发视频  
}  
  
while (1) {  
    上下左右  
}

如果这两个任务在同一台计算机上执行，并且只有一个CPU核心可用，那么它们将通过并发的方式执行，即操作系统通过时间片轮转等方式使这两个任务交替执行。
如果这台计算机有多个CPU核心，且这两个任务被分配到不同的CPU核心上执行，那么它们将并行执行，即同时执行。

需要注意的是，并发和并行是操作系统和硬件层面的概念，而上述代码示例并没有直接体现这些概念。在实际应用中，要实现并发或并行，通常需要使用多线程或多进程等编程技术

进程的调度

进程调度是操作系统内核的主要功能之一，它决定了哪个进程可以获得CPU资源并运行。进程调度的目标是公平、高效地分配CPU资源，以满足进程的运行需求。以下是进程调度的几个关键点：

调度算法：
- 轮转调度（Round-Robin, RR）：将CPU时间分成若干个时间片，每个进程在一个时间片内执行，时间片结束后切换到下一个进程。这种算法可以提高CPU的利用率，但可能会导致上下文切换开销增加。
- 先进先出（First-In, First-Out, FIFO）：也称为先来先服务（FCFS），按照进程到达系统的先后顺序进行调度，先到达的进程先执行。这种算法简单直观，但可能会导致长作业等待时间过长。
- 优先级调度：根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程先执行。这种算法可以根据进程的重要性进行调度，但可能会导致低优先级进程饿死。
- 短作业优先（Shortest Job First, SJF）：选择执行时间最短的进程。这种算法可以提高系统的整体效率，但同样可能导致长作业饥饿。
- 其他算法：如多级反馈队列调度、多级队列调度等，这些算法结合了上述算法的某些特点，以更好地适应不同的应用场景。
调度时机：
- 进程创建时：当新进程被创建时，需要被加入到调度队列中等待CPU资源。
- 进程终止时：当进程执行完毕或异常终止时，需要释放其占用的CPU资源，并重新调度其他进程。
- 进程阻塞时：当进程因等待某个事件（如I/O操作完成）而阻塞时，需要将其从CPU上撤下，并调度其他进程执行。
- 进程唤醒时：当被阻塞的进程因等待的事件完成而被唤醒时，需要将其重新加入到调度队列中等待CPU资源。
调度过程：
- 收集系统信息：操作系统需要收集有关系统中所有进程的信息，如进程的状态、优先级、需要的资源等。
- 选择进程：根据调度算法和调度策略选择下一个要执行的进程。
- 分配CPU：将选中的进程分配到CPU上，并将其状态设置为运行状态。
- 执行进程：进程在CPU上执行其指令和数据。
- 回收CPU：当进程执行完毕或需要被替换时，回收其占用的CPU资源。

进程上下文切换

进程上下文切换是操作系统内核在CPU上对于进程（包括线程）进行的一种活动，主要目的是在多个进程之间共享CPU资源。以下是进程上下文切换的几个关键点：

概念：
- 上下文切换可以认为是内核在CPU上对于进程进行的活动，包括挂起一个进程、存储其上下文信息、检索下一个进程的上下文信息、恢复其在CPU上的执行状态，并跳转到程序计数器所指向的位置以继续执行。
发生时机：
- 中断发生时：当发生中断（如硬件中断、软件中断）时，CPU会暂停当前执行的进程，并保存其上下文信息，然后跳转到中断处理程序执行。当中断处理完成后，CPU会恢复之前被挂起的进程的上下文信息，并继续执行。
- 进程调度时：当需要进行进程调度时（如时间片用完、进程阻塞/唤醒等），操作系统内核会保存当前执行进程的上下文信息，并检索下一个要执行的进程的上下文信息，然后恢复其在CPU上的执行状态。
上下文信息：
- 上下文信息是指进程在被调度执行前的状态信息，包括程序计数器（PC）、栈指针、寄存器的值等。这些信息用于恢复进程的执行状态，以便进程可以从上次暂停的地方继续执行。上下文信息通常存储在PCB（进程控制块）中，以便操作系统可以快速获取和更新这些信息。
性能影响：
- 上下文切换是操作系统内核中的一项重要活动，但它也会带来一定的性能开销。频繁的上下文切换会增加CPU的负载和延迟，降低系统的整体性能。因此，在设计操作系统和应用程序时，需要合理控制上下文切换的频率和开销。

内核的其他主要功能

除了进程调度和进程上下文切换外，操作系统的内核还负责以下主要功能：

硬件管理：管理计算机的硬件资源，如CPU、内存、I/O设备等。
BIOS接口：提供与BIOS（基本输入输出系统）的接口，以便操作系统能够访问计算机的底层硬件。
I/O管理：处理输入/输出操作，包括与外设的通信和数据传输。
文件系统：管理磁盘上的文件和目录结构，提供文件的创建、读取、写入、删除等操作。
驱动管理：管理各种设备驱动程序，

二、查询进程相关命令

*1.ps aux

查看进程相关信息

       1.就绪态、运行态   R
       2.睡眠态、等待态
           可唤醒等待态   S
           不可唤醒等待态   D
       3.停止态   T
       4.僵尸态   Z
       5.结束态

2.top

根据CPU占用率查看进程相关信息

3.kill和killall发送一个信号

kill -2 PID 15
发送信号+PID对应的进程，默认接收者关闭

   killall -9 进程名
   发送信号进程名对应的所有进程
   killall a.out

*4.fork();

pid_t fork()；（叉子）
   一次调用，会返回两次。不需要传参数
   子进程先运行和是父进程先进程，顺序不确定。
   变量不共享。
   子进程复制父进程的0到3g空间和父进程内核中的PCB，但id号不同。
   功能：通过该函数可以从当前进程中克隆一个同名新进程。
       克隆的进程称为子进程，原有的进程称为父进程。
       子进程是父进程的完全拷贝。
       子进程的执行过程是从fork函数之后执行。

       子进程与父进程具有相同的代码逻辑。

   返回值：int 类型的数字。
           在父进程中：成功返回值是子进程的pid号 >0
                       失败返回-1；
           在子进程中：成功返回值 0
                       失败无
练习：让2个while同时进行

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
	pid_t ret=fork();
	if(ret>0)
	{
		while(1)
		{
			printf("aaa\n");
			sleep(1);
		}
	}
	else if(ret==0)
	{
		while(1)
		{
			printf("ccc\n");
			sleep(1);
		}
	}
	else 
	{
		perror("fork error\n");
		return 1;
	}
	
	return 0;
}

运行结果会出现 aaa aaa 是因为：进程是随机的。

5.getpid

pid_t getpid(void);
   功能:
       获得调用该函数进程的pid
   参数:
       缺省
   返回值:
       进程的pid

6.getppid

pid_t getppid(void);
   功能:
       获得调用该函数进程的父进程pid号
   参数:
       缺省
   返回值:
       返回父进程id号
练习：

fork（）&&fork（）||fork（）

几个进程？五个看最后一层有多少个进程

分析：fork（）它返回值有两种情况，大于0，等于0，&&如果左边为1，右边执行，如果为0，右边不执行，|| 如果左边为1，右边不执行，如果左边为0，右边执行，按照这个思想去分析。

练习：动态生成n个子进程，并打印输出各自进程的pid号。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    
    int n =5;
    int i = 0 ;
    for(i=0;i<n;i++)
    {
    
        pid_t pid = fork();
        if(pid>0)
        {
            
        }
        else if(0 == pid)
        {
            printf("child pid:%d\n",getpid());
            exit(0);
        }
        else 
        {
            perror("fork");
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}