软件测学习笔记丨Linux的进程与线程

本文转自测试人社区，原文链接：https://ceshiren.com/t/topic/32047

一、简介

进程：在Linux中，进程指正在运行的程序的示例。每个进程都有一个唯一的标识符（PID），并且可以包含代码、数据和文件描述符等信息。
- 进程是操作系统的基本单位，它们在系统中相互独立地运行，并通过操作系统调度器进行管理。
线程：在Linux中，线程是一种轻量级的执行流，是cpu调度的基本单位，可以共享同一个进程的地址空间、文件描述和其他资源。
- 线程是进程的一部分，它们共享相同的代码段和数据段，但拥有自己的栈空间。

二、进程的生命周期

五个阶段：
- 创建（Created）：操作系统接收创建进程的请求，为新进程分配资源，包括内存、文件描述符、进程控制块（PCB）等。创建阶段结束时，进程处于就绪状态，等待被调度器调度。
- 就绪（Ready）：进程在就绪队列中等待被调度。此时，进程已具备运行所需的全部资源，只是等待CPU的分配。一旦调度器决定将CPU时间分配给该进程，进程就会从就绪状态转变为运行状态。
- 运行（Running）：进程获得CPU时间片并实际运行。这是进程执行其指令的阶段。一个进程在运行状态下会：
  - 正常执行完其时间片后，被调度器暂停，返回到就绪状态；
  - 发出I/O请求或其他阻塞操作，进入阻塞状态；
  - 被操作系统强制终止，进入终止状态。
- 阻塞（Waiting）：进程在等待某个事件（如I/O操作完成、资源可用等）时进入阻塞状态。在阻塞状态下，进程不占用CPU时间。等待事件发生后，进程会从阻塞状态转回就绪状态，等待再次被调度。
- 终止（Termination）：进程完成其任务或被操作系统强制终止后进入终止状态。在这个阶段，操作系统会释放进程占用的资源，并删除进程的PCB。进程终止后，不再存在于系统中。
进程的生命周期是不断循环的，一个进程可能通过执行结束或其他方式终止，也可能重新创建新的进程。
这样的循环使得操作系统能够同时处理和管理多个进程，实现多任务的并发执行。

示例：

创建：

./sum_program

运行：

int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 1000; ++i) {
    sum += i;
}

阻塞：

FILE *file = fopen("config.txt", "r");
if (file != NULL) {
    // 读取文件内容
    fclose(file);
}

终止：

printf("The sum is %d\n", sum);

总结：

创建：输入命令运行程序，操作系统创建进程。
就绪：进程被放入就绪队列，等待CPU时间。
运行：进程获得CPU时间并执行计算。
阻塞：进程等待I/O操作完成，暂时停止运行。
终止：程序完成任务，进程结束，操作系统回收资源。

三、进程状态

状态	描述
D（uninterruptible sleep）	进程处于无法中断的睡眠状态，通常是因为正在执行阻塞的I/O操作
R（running or runnable）	进程正在运行或者已经就绪等待运行，它在运行队列中等待获取CPU时间片
S（interruptible sleep）	进程正在等待某个事件完成，例如等待I/O操作或信号量
T（stopped by job control signal）	进程被作业控制信号（例如SIGSTOP）停止了，通常是由用户或调试器发出的停止信号
t（stopped by debugger during the tracing）	进程被调试器在追踪期间停止了
W（paging）	在早期的Linux内核中，表示进程正在进行页面交换操作（在2.6.XX内核中已经不再使用）
X（dead）	表示进程已经终止，这个状态通常不应该被看到
Z（defunct/“zombie”）	表示进程已经终止，但是其父进程尚未回收相关资源，隐藏变成了僵尸进程
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四、常用的进程管理命令

命令	说明
ps	进程列表快照
top	交互式进程观测
kill	结束进程
fg	进程切换到前台
bg	进程切换到后台
ctrl+z	挂起进程

4.1 ps命令

unix风格参数：ps -ef
bds风格参数：ps aux
gnu风格参数：ps -o pid,pidlist

4.2 top命令

通过top命令，可以实时地查看系统各项性能指标、进程状态和资源占用情况，以便更好地了解和监控系统的运行状态。
在top命令下，可以进行交互式操作，如切换排序方式、改变刷新间隔、显示不同的统计信息、发送信号给进程等。
- P键：以CPU使用率进行排序；
- M键：以内存使用量进行排序；
- T键：按运行时间进行排序；
- N键：按PID进行排序；
- i键：切换显示所有进程和只显示活动进程；
- d键：更改刷新时间间隔；
- k键：杀死一个进程；
- u键：显示特定用户的进程；
- h键：显示帮助信息；
- q键：退出命令。

4.3 kill命令

结束进程，可以加上进程ID以杀掉指定进程。
- kill PID xxx

4.4 jobs命令

jobs是一个shell内建命令，用于列出当前终端会话中正在运行或停止的进程。它会显示进程的ID和状态等。

4.5 fg命令

fg是一个shell内建命令，用于将一个停止的进程转移到前台运行。通过指定进程ID，fg命令将选择指定的进程并切换到前台运行。

4.6 ctrl+z命令

ctrl+z用于将当前正在运行的前台进程暂停，该进程会被挂起并放在后台运行。

4.7 bg命令

bg是一个shell内建命令，用于将一个已被暂停的进程转到后台继续运行。通过指定进程ID，bg命令将选择指定的进程，并将其放到后台继续执行。

五、I/O操作详解

I/O操作是指输入/输出操作（Input/Output Operation），它是计算机系统中与外部设备或其他系统之间进行数据交换的过程。
I/O操作是计算机与外界交互的基本方式，包括从输入设备获取数据（输入）和将数据发送到输出设备（输出）。

5.1 I/O操作的分类

1. 输入操作

输入操作指的是将外部数据输入到计算机系统中。常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等。例如，在键盘上输入文字时，这些文字被传输到计算机中，这就是一次输入操作。

2. 输出操作

输出操作指的是将计算机中的数据输出到外部设备。常见的输出设备包括显示器、打印机、扬声器等。例如，在屏幕上看到显示的图像或文字时，这就是一次输出操作。

5.2 I/O设备的种类

1. 块设备（Block Devices）

块设备可以一次读取或写入固定大小的数据块。硬盘、光盘和闪存都是典型的块设备。这些设备通常用于存储大量数据，并允许随机访问。

2. 字符设备（Character Devices）

字符设备一次处理一个字符或字节的数据。键盘、鼠标和串行端口都是字符设备。这些设备通常用于处理较小的数据流，并允许顺序访问。

5.3 I/O操作的实现方式

1. 同步I/O

在同步I/O操作中，I/O操作需要等待数据传输完成，才能继续进行后续的处理。这意味着在I/O操作完成之前，CPU会一直处于等待状态。这种方式可能会导致CPU资源的浪费，因为CPU在等待过程中无法执行其他任务。

2. 异步I/O

在异步I/O操作中，I/O操作在后台进行，CPU可以继续执行其他任务而不必等待数据传输完成。异步I/O可以提高系统的效率和响应速度，因为它允许并行处理多个任务。

3. 中断驱动I/O

中断驱动I/O是通过硬件中断来实现的。当I/O设备准备好数据时，会发送一个中断信号给CPU，通知CPU进行处理。这样，CPU可以在等待I/O操作的同时处理其他任务，而不会浪费时间。

4. 直接内存访问（DMA）

DMA是一种特殊的I/O技术，它允许I/O设备直接与内存进行数据交换，而无需经过CPU。这可以大大提高数据传输的效率，因为数据不需要通过CPU的控制。

5.4 I/O操作的示例

文件读写

打开一个文件并读取或写入数据时，就是在进行I/O操作。比如在C语言中，使用 fopen 打开文件，使用 fread 和 fwrite 进行数据读写。

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
char buffer[100];
fread(buffer, sizeof(char), 100, file);
fclose(file);

网络通信

网络通信也是一种常见的I/O操作。比如在网络编程中，使用 send 和 recv 函数发送和接收数据包。

int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
connect(sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
send(sock, "Hello", 5, 0);
recv(sock, buffer, 100, 0);
close(sock);