第三部分：2---进程理解/Linux下进程初识

操作系统如何管理进程？

进程的结构体：

操作系统如何加载进程？

CPU如何调度进程？

进程如何在多个队列排队：

offsetof宏：

进程标识符：

程序打印自己的pid和ppid：

杀死进程：

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getpid()和getppid()如何得到当前进程的pid/ppid：

父进程和子进程的关系：

动态进程目录：

当前目录是什么？

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fork创建进程：

创建子进程的目的？

创建子进程后一般写法思路：

fork之后，干了什么事情？

fork之后父子进程谁先运行？

fork之后，为什么会return两个返回值？

代码共享，数据独立：

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进程状态通俗理解：

运行状态 / 运行队列：

阻塞状态 / 资源的等待队列：

阻塞挂起状态：

swap分区：

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Linux下，进程的运行状态：

运行状态：

前台进程 / 后台进程：

休眠状态：

暂停状态 / 18和19信号：

僵尸状态：

父进程不存在僵尸状态：

孤儿进程和进程领养：

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排队的本质——确认优先级：

进程优先级的本质：

通过NI值修正进程优先级值PRI：

限定优先级在一定范围的原因：

进程的并行和并发：

进程切换和上下文保存：

操作系统如何管理进程？

进程是由操作系统创建的->操作系统是由C语言写的->进程需要被C语言写的操作系统管理->C语言通过结构体管理数据->进程相当于一个个结构体->结构体中的成员是进程的一个个属性。

进程的结构体：

进程的结构体被称为“进程的PCB”，当进程被创建PCB就会被创建。Linux下PCB叫做task_struct。

操作系统如何加载进程？

操作系统先将可执行程序从磁盘加载到内存中。
操作系统为加载的进程创建PCB，用于管理进程信息。
将新创建的PCB链接到PCB链表上(Process Table)。

CPU如何调度进程？

CPU通过调度算法(轮转调度、优先级调度等)，找到下一个需要运行的进程==找到进程的PCB。
操作系统保存当前运行中的进程的上下文(寄存器、程序计数器等状态信息) 。
操作系统加载新进程的上下文，将其寄存器、程序计数器等信息加载到 CPU 中。
CPU开始执行新进程的指令。

进程如何在多个队列排队：

进程排队排的是进程PCB。
PCB之间的链接属于双向链表。
一般情况下，双向链表存储两个指针，一个指向前前一个节点，一个指向后一个节点。
PCB中特定存储一个结构体dlist存放这两个指针。
当进程被排到某个队列中，就创建一个这种结构体，存放该PCB在当前队列的前后指针。
这样PCB每被排序到一个队列，就创建一个dlist，就能实现PCB多队列排队。

offsetof宏：

offsetof 宏的定义通常依赖于 __builtin_offsetof 或者通过指针运算来实现。
其原理是，通过计算某个结构体成员的地址减去结构体首地址，得到成员相对于结构体开头的偏移量。

进程标识符：

操作系统中进程标识符pid(process id)会唯一标识一个进程。
pid在进程创建时被分配，是唯一的。当进程被释放，pid会被回收给其他新进程使用。

ps ajx | grep my_program
a: 显示所有终端的进程，包括其他用户的进程。
j: 以作业格式显示，包含会话、进程组等信息。
x: 显示没有控制终端的进程，例如守护进程。
grep 命令过滤指定名称的进程

每条命令都可以当作是一个进程，当调用grep过滤指定名称的进程时。他也会作为一个进程运行。

ps ajx | grep my_program | grep -v grep
//加上grep -v grep来过滤grep自身的进程。
//grep过滤器，在过滤某个关键字时，如果关键字不包含特殊符号可以不加双引号，如果包含特殊符号就需要加上双引号确保能够正确解析字符串。比如mycode可以不加双引号，my code就需要加上双引号。

程序打印自己的pid和ppid：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>//调用getpid要包含这两个库
#include <unistd.h>

int main()
{
	pid_t pid=getpid();//调用失败返回0
	pid_t ppid=getppid();
	printf("%d",pid);
}

杀死进程：

kill -9 pid
//发送9信号，杀死pid进程

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getpid()和getppid()如何得到当前进程的pid/ppid：

pid和ppid存放在进程的PCB中，当要得到他时需要访问PCB。
操作系统不希望用户直接访问PCB。
于是提供了“系统调用接口”，getpid和getppid得到PCB中的pid和ppid后，返回给用户。

父进程和子进程的关系：

子进程是由父进程创建的，创建时：子进程会以父进程为模板，继承父进程的部分数据和状态。

动态进程目录：

在Linux的根目录下有一个proc目录，其中动态维护当前存货的进程信息。

ls /proc

其中的子目录是当前存在的进程，子目录以进程pid命名。

ls /proc/pid -l//查看子目录中的文件

其中每个进程的目录中，有一条：exe->path，他会指向进程在磁盘中可执行程序的路径。
有一条：cwd->path，指向当前目录。

当前目录是什么？

当进程被创建，PCB会记录可执行程序当前的路径，存放在cwd中。
之后对当前进程的路径操作，如果不写为绝对路径，默认使用cwd路径作为相对路径。

chdir("PATH");
//在可执行程序中更改当前目录，更改后进程的PCB中的cwd也会同时修改为PATH。

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fork创建进程：

pid_t fork(void)//创建进程

使用fork创建一个子进程，fork之后的代码会被父进程和子进程同时执行。
进程A创建了一个子进程B，子进程的父进程是进程A。
fork失败返回-1，创建成功给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0。

创建子进程的目的？

让子进程协助父进程完成单进程无法完成的工作。
让子进程和父进程分别完成一项工作。
基于fork的返回值对于父子进程有区别，通过分支让父子进程执行不同的代码段。

创建子进程后一般写法思路：

pid_t id=fork();
if(id<0) return 1;//说明fork失败
else if(id==0) {}//对子进程返回0，这里写子进程的执行逻辑
else {} //写父进程的执行逻辑

fork之后，干了什么事情？

fork创建子进程之后，系统中会多一个PCB，就是子进程的PCB。
由于fork创建的子进程是直接在系统创建，所以这个进程没有自己的可执行程序。
所以子进程需要共享父进程加载到内存的可执行程序==共享代码和数据。

fork之后父子进程谁先运行？

进程创建后，在调度序列中被排序。
由调度器算法和PCB中的调度信息共同决定当前调度的进程。

fork之后，为什么会return两个返回值？

fork先找到父进程PCB，根据父进程PCB初始化子进程的PCB。
让子进程的PCB指向父进程的可执行程序。
将子进程PCB放到调度队列。
fork之后的代码是父子进程之间共享的，包括return。
当return时，父进程调度完成return一次，子进程调度完成return一次。返回两次也就是两个值。

代码共享，数据独立：

父子进程，共用同一份代码。
数据相互独立，子进程在用到某个成员时，从父进程的数据写时拷贝一份到自己的数据中。

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进程状态通俗理解：

进程状态就是进程PCB中的一个变量的值，这个值来自于一个枚举类型。
当变量的值对应枚举类型不同的成员时，代表进程处在对应的状态。
状态的变化，就是修改变量的值为对应枚举类型的成员。

运行状态 / 运行队列：

每个CPU都会维护一个运行队列。
进程创建PCB，并且被排序到运行队列中，他所处在的状态就是运行状态。
具体实现就是：进程中控制进程状态的变量被赋值为特定值，进程被链接到运行队列，PCB添加一个dlist标记队列前后节点。

阻塞状态 / 资源的等待队列：

当一个进程需要访问某个资源时，如果资源尚未准备好，进程无法继续执行。
资源的状态结构体中会自己维护一个队列，这个队列用于存储那些：因资源当前不可用而被阻塞的进程。
当前正在运行的进程如果发现需要的资源不可用，那么它会从运行队列中被移出，并放入所需资源的等待队列。并且它的状态将被修改为“阻塞”。
操作系统会调度其他进程运行，直到阻塞的进程所需的资源变得可用。资源的状态结构体会通知在等待队列中的进程，并将其从阻塞状态恢复到就绪状态。这些进程会被重新放回运行队队列。

阻塞挂起状态：

当操作系统检测到内存严重不足时，它可能会将那些处于等待状态且短时间内不会被执行的进程 (PCB+可执行程序)从内存中转移到磁盘，从而节省出一部分内存。这一过程称为“挂起”。
处于资源等待队列的进程，由于处于阻塞状态，短时间也不会被执行，不如直接挪动到磁盘来节省出空间。
将进程从内存移至磁盘的操作会带来性能上的开销，因为磁盘I/O操作比内存访问要慢得多。但在内存极度紧张的情况下，这种代价是必要的，以防止操作系统因为内存耗尽而崩溃。
swap分区，不建议设置很大，可能导致频繁的内存和磁盘的交互，导致操作系统变慢。一般设置到和内存一样大或者两倍即可。

swap分区：

swap分区存储的就是被挂起的进程。

swap的读写速度远不及物理内存。如果系统频繁使用swap，整体性能会明显下降，可能导致系统响应变慢，甚至出现“卡死”的现象。

如果swap分区过大，可能会诱导系统频繁将数据交换到磁盘上，导致更多的I/O操作，反而降低了系统的整体性能。

一般建议swap分区的大小设置为物理内存的1倍或更小。

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Linux下，进程的运行状态：

运行状态：

R (Running or runnable)：进程正在运行或在运行队列中等待运行。

前台进程 / 后台进程：

当stat显示的进程状态后面有+，比如R+,S+。代表这个进程为前台进程。前台进程通常是由用户直接控制的，比如通过终端启动的程序。比如有一个可执行程序mycode，./mycod直接运行就是以前台进程方式运行的。

如果stat显示的进程状态没有+，代表这个进程为后台进程。以后台进程的方式运行某个进程，需要在进程后面加取地址符号(&)。例如：./mycode &

休眠状态：

S (Sleeping)：进程处于休眠状态，即它正在等待某个事件（如I/O操作完成）。这类进程可以被唤醒。
D (disk sleep)：不可中断的休眠状态。进程通常在等待硬件设备时处于此状态，不会处理任何信号，不可被中断，直到进程调用完成。处于D状态的进程过多，系统资源被大量消耗，可能导致系统性能下降或者崩溃。

暂停状态 / 18和19信号：

T (Stopped)：进程已经停止运行。可能是因为收到了SIGSTOP信号或者被调试器暂停。
kill -18 pid //暂停进程 -SIGCONT
kill -19 pid //继续进程 -SIGSTOP

僵尸状态：

Z (Zombie)：僵尸进程，进程已终止但尚未被其父进程回收。此状态下的进程只剩下一个PCB，系统资源已经被释放。

当进程进入僵尸状态时，可执行程序和大部分资源已经被释放，但PCB仍然保留。
当程序终止时会return一个值，会由操作系统写入到进程的PCB中(exit_code)。
之后父进程在读取子进程的退出状态的同时适释放PCB == 将进程状态从 ‘Z’改为 ‘X’。
再判断是否需要做出下一步动作，例如重新启动子进程、记录日志或采取其他相应的措施。
僵尸进程本身并不消耗大量资源，但如果大量僵尸进程积累，可能会导致系统进程表耗尽，影响系统的进程管理。

父进程不存在僵尸状态：

僵尸状态是专门针对子进程的，每个父进程也有他的父进程。
当一个子进程的父进程终止，父进程的父进程就会处理他的退出状态并释放PCB。

孤儿进程和进程领养：

当子进程的父进程先被终止，那么子进程就会变为孤儿进程。
孤儿进程终止变为僵尸进程后，没有父进程读取其退出状态，并为其释放PCB，会导致内存泄漏。
孤儿进程会被init进程（Linux系统中通常是systemd）收养并处理。当这些被收养的子进程终止时，init进程会读取它们的退出状态，防止它们成为僵尸进程。