[Linux]：进程(上)

✨✨ 欢迎大家来到贝蒂大讲堂✨✨

🎈🎈养成好习惯，先赞后看哦~🎈🎈

所属专栏：Linux学习
贝蒂的主页：Betty’s blog

1. 初识进程

1.1 进程的概念

在计算机世界中，进程是一个关键概念。它是程序的执行实例，一般而言，当可执行程序被加载到内存后就形成了进程。进程担当着分配系统资源（如CPU时间和内存）的重要角色，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，使得程序能够在系统中实际运行并完成特定任务。

1.2 进程的理解

进程信息被放在一个叫做进程控制块（PCB）的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。PCB是进程存在的唯一标识。在Linux环境下，PCB就是task_struct，一个包含进程属性信息的结构体。

然后我们就可以将进程理解为：被进程控制块PCB所管理的可执行程序。一旦可执行程序被执行加载到内存，操作系统就会创建对应的PCB将其管理，最后就形成了进程。

最后操作系统通过双向链表的形式将各个进程控制块PCB联系起来，方便管理。如果新创建一个进程就将其对应的PCB链接入双向链表中，退出一个进程就是将对于的PCB删除即可。

1.3 task_struct的内容

task_struct是Linux当中的进程控制块，主要包含以下信息：

标示符(PID): 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(pc指针): 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。

进程的代码是不可能在很短时间运行完的，规定每个进程的时间片(单次运行的最长时间)，用户感受到的多个进程同时运行，本质上是CPU的快速切换。CPU只有一套寄存器，为了保护上下文，进程的这些临时数据被写入在PCB中，再来执行时，恢复上下文。

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。

进程创建出来,CPU要执行它对应的代码，然而CPU很少,进程很多。因此OS内有一个调度模块，负责较为均衡的调度每一个进程,较为公平的获得CPU资源。让每个进程都能获得CPU资源，让每个进程都能被执行。

其他信息。

1.4 查看进程

在根目录下存在一个proc文件夹，里面包含了大量关于进程的信息。

其中有很多关于数字的子目录，这些数字其实是某一进程的PID，记录着对应进程的各种信息。

我们可以通过指令ps aux查看所有进程信息。

我们也可以将ps指令与grep指令搭配使用，显示某一进程的信息。

2. 创建进程

2.1 进程标识符

通过系统调用函数getpid和getppid可以分别获取进程的PID(进程ID)和PPID(父进程ID)。

下面我们可以通过一个测试程序观察：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
  while(1)
  {
     printf("proc PID :%d,parent PID:%d\n",getpid(),getppid());
     sleep(1); 
  }
  return 0;
}

我们可以通过ctrl+c或者kill -9 进程的PID杀死相应的进程。

2.2 fork函数

我们可以使用fork函数创建一个子进程。

如果上述代码加上fork之后，又会打印什么呢？

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
  fork
  while(1)
  {
     printf("proc PID :%d,parent PID:%d\n",getpid(),getppid());
     sleep(1); 
  }
  return 0;
}

第一行数据是该进程的PID和PPID，第二行数据是代码中通过调用fork函数创建的子进程的PID和PPID。其中该进程的PID就是子进程的父进程PID，所以我们可以说这两个进程是父子关系。而该进程的父进程就是bash，一般而言，在命令行上运行的指令，父进程基本都是bash。

并且值得注意的是：在子进程被创建之前的代码被父进程执行，而子进程被创建之后的代码，则默认情况下父子进程都可以执行。父子进程虽然代码共享，但是父子进程的数据各自开辟空间（采用写时拷贝）。

注意：使用fork函数创建子进程后就有了两个进程，这两个进程被操作系统调度的顺序是不确定的，这取决于操作系统调度算法的具体实现。

2.3 fork的返回值

因为父子进程代码共享，而且fork函数在执行return语句时已经创建好了子进程，所以return语句会被父子进程执行两次，所以fork函数肯定有两个返回值。

如果子进程创建成功，在父进程中返回子进程的PID，而在子进程中返回0。
如果子进程创建失败，则在父进程中返回 -1。

所以我们可以通过fork的返回值，让父子进程分别去执行不同的过程。代码示例如下:

#include<stdio.h> 
#include<unistd.h>      
int main()    
{    
    pid_t id = fork();    
    if(id == 0)    
    {    
        //child    
        while(1)
        {
        printf("I am child PID:%d PPID:%d\n",getpid(),getppid());
        sleep(1);
        }
    }    
    else if (id > 0)    
    {    
        //parent
        while(1)
        {
        printf("I am parent PID:%d PPID:%d\n",getpid(),getppid());
        sleep(1);
        }
    }    
    else    
    {     
        //fork error
    }    
    return 0;    
}

并且进程之间具有独立性，即使一个进程中途异常退出，也不会影响其他进程。

3. 进程状态

在Linux中，存在大量进程，有些进程可能在运行，有些进程可能在休眠。为了方便操作系统管理，我们需要对进程的状态进行表示。

在Linux中，一共有七种状态，源码中是这样表示的：

/*
* 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 *task_state_array[] = {
	"R (running)",       /*  0*/
    "S (sleeping)",      /*  1*/
    "D (disk sleep)",    /*  2*/
    "T (stopped)",       /*  4*/
    "T (tracing stop)",  /*  8*/
    "Z (zombie)",        /* 16*/
    "X (dead)"           /* 32*/
};

我们可以使用指令ps aux 或者 ps axj 查看对应的进程状态。

3.1 运行状态-R

**R运行状态(running) **: 运行状态不一定占用CPU，并不意味着进程一定在运行中，一个进程处于R状态，它只是表明进程要么是在运行中要么在运行队列里，随时可以被CPU调度也就是说,可以同时存在多个处于R状态的进程。

比如如下所有处于运行队列的进程都处于运行状态。

3.2 浅度睡眠状态-S

S浅睡眠状态(sleeping): 当需要完成某种任务，而条件不具备时，需要进程进行某种等待，此时的状态就是浅睡眠状态。

比如一下程序：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
  printf("I am running\n");
  sleep(100);
  return 0;
}

浅度睡眠状态可以用kill指令杀死对应进程。

3.3 深度睡眠状态-D

D深度休眠状态(Disk sleep)：有时候也叫不可中断睡眠(深度睡眠)状态，在这个状态的进程通常会等待IO的结束。

例如，某一进程要求对磁盘进行写入操作，那么在磁盘进行写入期间，该进程就处于深度睡眠状态，是不会被杀掉的，因为该进程需要等待磁盘的回复（是否写入成功）以做出相应的应答。

3.4 停止状态-T

T停止状态(stopped)：可以通过发送SIGSTOP信号来停止进程，这个被暂停的进程可以通过发送SIGCONT 信号让进程继续运行。

3.5 僵尸状态-Z

Z僵尸状态(Zombies)：当一个进程退出时，该进程曾经申请的资源并不是立即被释放，而是要暂时存储一段时间，以供操作系统或是其父进程进行读取，如果退出信息一直未被读取，则相关数据是不会被释放掉的。一旦进程若是正在等待其退出信息被读取，那么我们称该进程处于僵尸状态。

3.6 死亡状态-X

X死亡状态(dead)：当一个进程的退出信息被读取后，该进程所申请的资源就会立即被释放，该进程也就不存在了。同样因为不存在了，我们也无法观察到死亡状态。

4. 僵尸进程与孤儿进程

4.1 僵尸进程

处于僵尸状态的进程，我们就称之为僵尸进程。

例如，以下这段代码，fork函数创建的子进程在打印3次信息后会退出，而父进程会一直打印信息。也就是说，子进程退出了，父进程还在运行，此时父进程没有读取子进程的退出信息，那么此时子进程就进入了僵尸状态。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {
        // child
        int count = 3;
        while (count > 0) {
            printf("I am child,PID:%d PPID: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(2);
            count--;
        }
        printf("I am child, I quit\n");
    } else if (id > 0) {
        // parent
        while (1) {
            printf("I am parent,PID:%d PPID:%d\n", getpid(), getppid());
            sleep(2);
        }
    } else {
        // fork error
        printf("fork error\n");
    }
    return 0;
}

运行开始我们可以通过该脚本指令检测：while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep pro.out | grep -v grep;echo "######################";sleep 1;done

如果僵尸进程一直不回收，子进程就会一直处于僵尸状态，而维护子进程系统会创建对应PCB，进而造成系统资源的浪费。并且随着僵尸进程的增多，实际使用的资源就会越少，会造成严重的内存泄漏问题。

4.2 孤儿进程

若子进程先退出而父进程没有对子进程的退出信息进行读取，那么我们称该进程为僵尸进程。但若是父进程先退出，那么此时子进程没有父进程对其进行处理，此时该子进程就称之为孤儿进程。若是一直不处理孤儿进程，那么孤儿进程就会一直占用资源，造成内存泄漏。因此，当出现孤儿进程的时候，孤儿进程一般会被1号init进程领养。

比如说下面这段代码，fork函数创建的子进程会一直打印信息，而父进程在打印3次信息后会退出，此时该子进程就变成了孤儿进程。

5. 进程的优先级

5.1 优先级的概念

优先级实际上就是获取某种资源的先后顺序，而进程优先级实际上就是进程获取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的权力。

优先级存在的主要原因就是资源是有限的，一个CPU一次只能跑一个进程，而进程是可以有多个的，所以需要存在进程优先级，来确定进程获取CPU资源的先后顺序。

5.2 查看优先级

我们可以通过指令ps -l查看进程的优先级。

PRI：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行。在Linux操作系统当中，PRI(old)默认为80，即PRI = 80 + NI。
NI：代表这个进程的nice值。NI的取值范围是-20至19，一共40个级别。

5.3 修改优先级

因为PRI = 80 + NI，所以我们只需要修改NI值就能达到修改优先级的目的。

修改NI值一共有两种方法：

第一种就是输入top指令，然后按下R键输入要修改进程的PID，最高输入要修改的NI值。比如下列我们将进程a.out的Ni修改为10，其优先级PRI变为90。

第二种就是使用renice指令，语法为renice NI PID。比如说我们下面将a.out的NI修改为15，其优先级PRI变为95。

其中无论哪种方法，如果想将NI值调为负值，也就是将进程的优先级调高，都需要使用sudo提升权限。

6. 进程调度队列

我们以Linux 2.6版本为例，详细谈一谈进程调度队列。

active指针：永远指向活动队列。
expired指针：永远指向过期队列。
nr_active：代表总共有多少个运行状态的进程。
queue[140]：前面说到nice值的取值范围是-20~19，共40个级别，依次对应queue当中普通优先级的下标100~139，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度。而下标0~99对应的实时进程，实时进程是指先将一个进程执行完毕再执行下一个进程，现在基本不存在这种机器了，所以对于queue当中下标为0~99的元素我们不关心。
bitmap[5]：这是一个位图，queue数组当中一共有140个元素，即140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5 × 32个比特位表示每个队列是否为空。

所以调度过程如下：

首先从0下标开始遍历活动队列queue[140]。
选中队列的第一个非空进程即优先级最高的基础，开始运行，调度完成后放入过期队列。
继续选中队列的第二个非空进程进行调度，直到所有活动队列都被调度，即bitmap[5]等于0。
如果活动队列全部被调度完毕，交换将active指针和expired指针的内容，让过期队列变成活动队列，活动队列变成过期队列，这样就又有了一批新的活动进程，如此循环进行即可。