linux 进程

文章目录

- 1、进程的状态
- 2、进程的组织
- 3、进程的控制
- - 3.1、进程的创建
  - - fork 函数
    - - fork 拷贝和共享
      - fork 原理
      - fork 的写时复制
    - exec 函数族
    - - exec 原理
  - 3.2、进程的终止
  - - exit 函数
    - * 僵死进程
    - * 孤儿进程
  - 3.3、进程的阻塞和唤醒
  - 3.4、进程的切换
- 4、进程间通信
- 5、进程调度算法

进程是可执行程序的实例，是资源分配和调度的基本单位。

进程：动态执行的程序 + 虚拟内存 + 虚拟 CPU

1、进程的状态

进程的基本状态

运行态 Running：进程正在占用 CPU。
就绪态 Ready：进程具备执行条件，等待获取 CPU。
阻塞态 Blocked：进程等待某一事件而暂停运行。

在这里插入图片描述

一个进程从运行态到阻塞态是主动行为，而从阻塞态到就绪态是被动行为，需要其他进程的协助

此外，进程的状态还包括

创建态 New：进程正在被创建
结束态 Exit：进程正在从系统中消失

为减少阻塞态的进程占用物理内存，在虚拟内存管理的操作系统中，通常会把阻塞态的进程换出到硬盘，等待再次运行时，再从硬盘换入到物理内存。这种进程没有占用物理内存的情况称为挂起态。ctrl + z

挂起态分为

阻塞挂起态：进程在外存并等待某个事件的出现
就绪挂起态：进程在外存，但只要进入内存，就能立刻执行

在这里插入图片描述

查看进程的状态

# 查看进程状态
ps -elf 'UNIX风格
ps aux  'BSD风格

# 查看系统的内存占用
free

# 动态显示系统当中的进程
top

2、进程的组织

进程映像（进程实体）：PCB + 程序段 + 数据段

进程控制块 PCB：描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。
程序段：进程调度到 CPU 执行的代码段，可被多进程共享
数据段

PCB 是进程存在的唯一标识。创建进程就是创建进程映像中的 PCB，撤销进程就是撤销进程的 PCB。其中存储了各种静态信息，包括进程描述信息、进程控制和管理信息、资源分配清单、CPU 相关信息等。

例如：进程描述信息

进程标识符 PID：唯一标识进程
用户标识符 UID：进程归属的用户，用于共享和保护

// 返回调用进程的 PID
pid_t getpid(void);
// 返回父进程的 PID（创建调用进程的进程）
pid_t getppid(void);

// 获取用户ID
uid_t getuid(void);
// 获取有效用户ID 
uid_t geteuid(void);

// 获取组ID
gid_t getgid(void);
// 获取有效组ID
gid_t getegid(void);

为了方便进程的调度和管理，内核将各进程的 PCB 组织起来，常用的方法有链接方式和索引方式。

链接方式：内核把相同状态的 PCB 链接到一个双向循环链表，组成任务队列。链表的节点类型为 task_struct ，也就是进程控制块 PCB。不同状态对应不同的任务队列，例如：就绪队列和阻塞队列

在这里插入图片描述

索引方式：将相同状态的进程组织在一个索引表中，索引表的表项指向相应的 PCB，不同状态对应不同的索引表等。

3、进程的控制

3.1、进程的创建

创建进程的过程（创建原语）

为新进程分配 PID，并申请一个空白的 PCB
为进程分配资源
初始化 PCB
将 PCB 插入到就绪队列，等待被调度运行；

fork 函数

父进程通过调用 fork 函数创建一个子进程。子进程是父进程的拷贝，子进程继承了父进程的地址空间（地址空间相同但是独立），共享文件。最大区别在于二者拥有不同的 PID。

fork 函数只被调用一次，却会返回两次：在父进程中，fork 返回子进程的 PID。在子进程中，fork 返回 0 。

// 返回值：子进程返回值为 0，父进程返回子进程的 PID。
pid_t fork(void);

fork 拷贝和共享

用户态拷贝：堆、栈、数据段、代码段，进程上下文，文件流，文件缓冲区
内核态：部分拷贝（文件描述符数组），部分共享（文件描述符指向的文件对象）

fork 原理

上半部：拷贝地址空间，修改子进程 task_struct，调整 PID 和 PPID 。随后，将子进程放入就绪队列等待调度，并将子进程的 fork 的返回值修改为 0，父进程的返回值设置为子进程的 PID。该过程不可抢占。
下半部：将返回值返回给两个进程，随后修改 PC 指针，让各进程继续执行后续的命令

fork 的写时复制

写时复制(Copy on Write, COW)：fork 调用时页表复制，并且将两个进程的每个页面标记为只读，父子进程共用一块物理内存。当有进程试图写操作时，触发缺页中断，从而进行物理内存的复制，并更新其页表项指向这个新的物理内存，然后恢复这个页面的可写权限。总之，谁修改，谁拷贝内存，子进程指向这块新内存。

在这里插入图片描述

写时复制的最充分地使用了稀有的物理内存，只有在发生写操作的时候，系统才会去复制物理内存，从而避免物理内存的复制过程导致进程长时间阻塞。

exec 函数族

在当前进程的上下文加载并执行一个程序

fork 函数在子进程中运行相同的程序，新的子进程是父进程的一个副本；exec 函数在当前进程的上下文加载并运行一个新的程序，会覆盖当前进程的地址空间。

exec 原理

代码段，数据段被替换
堆栈清空
PC指针重新返回代码段的开始

例：实现 system 函数功能

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

extern char **environ;

int Mysystem(const char* CMD) {
    if (CMD == NULL) {
        return 1;
    }

    if(fork() == 0) {
        execl("/bin/sh", "sh", "-c", CMD, NULL);
        _exit(127);
    }
    wait(NULL);
}

// 测试样例：./mysystem date 实现 sysytem("date")
int main(int argc,char*argv[]) {
    Mysystem(argv[1]);
    return 0;
}

3.2、进程的终止

终止进程的过程（撤销原语）

根据被终止进程的 PID，检索 PCB，读取该进程的状态
若进程处于运行态，立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
如果进程还有子进程，则将该进程的子进程交给 init 进程（pid = 1）回收
将该进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程，或归还给操作系统；
将该 PCB 从所在队列中删除

exit 函数

以 status 退出状态来终止进程。

#include <unistd.h>
void _exit(int status);

当一个进程由于某种原因终止时，内核并不是立即把它从系统中删除。相反，进程被保持在一种已终止的状态，直到被它的父进程回收。当父进程回收已终止的子进程时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后抛弃已终止的进程，至此该进程被终止。

* 僵死进程

僵死进程：一个终止但并未被回收的进程。

父进程需要及时回收已终止的子进程。因为僵死进程即使没有运行，仍然消耗系统的内存资源。

父进程调用 wait 或 waitpid 函数来等待它的子进程终止或停止。

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

// 随机等待一个子进程
pid_t wait(int *status);
// 等待指定 pid 的子进程
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);