linux进程

1.冯诺依曼体系

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等

中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等

输出单元：显示器，打印机等

关于冯诺依曼，必须强调几点：

这里的存储器指的是内存

不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)

外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

例如你和你的朋友在QQ上聊天你的信息到底是直接发给朋友还是先写入内存？很明显是先写入内存，然后由CPU在做一些处理之后再发送到QQ的服务器上，所以为什么你的QQ占的内存会越来越大，因为你的所有信息都是先写入内存，然后cpu处理完了再发送这时候有人就要问了为什么不写入磁盘？内存那么小信息多了会不会内存放不下？事实上的确要写入磁盘再从磁盘上去获得再发送，因为你在用键盘输入的时候就在对内存进行读写，内存对于数据有自己的方式去写入磁盘，所以在完整的发送的步骤中

在QQ服务器上就相当于键盘变成其他的然后经过一系列处理再发送给你的朋友。

其实发文字信息并不是很好理解，因为内存有时候对于你的hello这个单词来说绰绰有余并没有先写入磁盘，如果发文件的话就非常好理解了，

输入设备就是磁盘然后内存和cpu交互处理信息，再发送出去。

这就是冯诺依曼体系结构：合理且高效的体系。因为有很多事情在做的时候会发现分工明确比一个人做所有的事情好的多。

2.操作系统(Operator System)

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

其他程序（例如函数库，shell程序等等）

设计OS的目的

与硬件交互，管理所有的软硬件资源

为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的**“搞管理**”的软件

管理：一句话先描述再组织

一个班主任再管理一个班级时，需要一个名单而这个名单就是通过描述一种学生的属性组织起来的，例如按学号排名的名单，这就是管理，操作系统也不例外，对于文件管理，它有对应的结构体去管理，就像名单一样有一个先后次序。对于进程的管理同样需要描述然后组织成一个结构体。

3.进程

基本概念

课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等

内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

描述进程-PCB

进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。

课本上称之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是: task_struct

task_struct-PCB的一种

在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。

task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

task_ struct内容分类

标示符: 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: 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。

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。

其他信息

进程组织

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

如：要获取PID为1（第一进程）的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

#include <stdio.h>
  2 #include <sys/types.h>
  3 #include <unistd.h>
  4 int main()
  5 {
  6  while(1){
  7      printf("i am a process\n");
  8      sleep(1);
  9  }
 10  return 0;
 11 }  

通过系统调用获取进程标示符

进程id（PID）

父进程id（PPID）

  #include <stdio.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <unistd.h>
  
  int main()
  {
     printf("pid:  %d\n",getpid());
     printf("ppid: %d\n",getppid());                                                        return 0;
  }

通过系统调用创建进程-fork初识

运行 man fork 认识fork

fork有两个返回值

父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）

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

int main()
  {
      pid_t id = fork();
      while(1)
      {
          if(id<1)
          {
              perror("fork");
              return 1;
          }
          else if(id == 0)
          {
              printf("i am child. id:%d; pid: %d;ppid:%d\n",id,getpid(),getppid());
              sleep(1);
          }
          else if(id>0)
          {
              printf("i am partent. id:%d; pid: %d;ppid:%d\n",id,getpid(),getppid());                                                          
              sleep(3);
          }
      }
      return 0;
  }

进程状态

看看Linux内核源代码怎么说

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在

Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。

下面的状态在kernel源代码里定义：

/*

* 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 * const task_state_array[] = {

“R (running)”, /* 0 */

“S (sleeping)”, /* 1 */

“D (disk sleep)”, /* 2 */

“T (stopped)”, /* 4 */

“t (tracing stop)”, /* 8 */

“X (dead)”, /* 16 */

“Z (zombie)”, /* 32 */

};

两种特殊状态

**Z(zombie)-**僵尸进程

僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程（使用wait()系统调用,后面讲）

没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程

僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。

所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态

搞一个僵尸进程（Z）试试效果

          if(id>0)
          {
              printf("parent[%d] is sleeping!\n",getpid());
              sleep(30);
          }
          else if(id == 0)                                               
          {
              printf("child[%d] is being Z\n",getpid());
              sleep(10);
              _exit(0);
          }

僵尸进程危害

进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎

么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态？是的！

维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话

说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护？是的！

那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构

对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空

间！

内存泄漏?是的！

上面提到了子进程退出，父进程不做处理就会变僵尸进程，接下来就会有子进程还没退出，父进程就提前退出又会有什么样的事情发生呢

孤儿进程

父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？

父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”

孤儿进程被1号init进程领养，当然要有init进程回收喽。

            if(id<0)
 31         {
 32             perror("fork");
 33             return 1;
 34         }
 35         else if(id== 0)
 36         {
 37             printf("child[%d] is runing! \n",getpid());
 38             sleep(1);
 39         }
 40         else
 41         {
 42             printf("parent[%d] is outting! \n",getpid());
 43             sleep(10);
 44             _exit(1);
 45         }

进程优先级

基本概念

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权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。

还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整

体性能。

查看系统进程

在linux或者unix系统中，用ps –l命令则会类似输出以下几个内容：

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

UID : 代表执行者的身份

PID : 代表这个进程的代号

PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号

PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行

NI ：代表这个进程的nice值

PRI and NI

PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小

进程的优先级别越高

那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值

PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice

这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行

所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值

nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

PRI vs NI

需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进

程的优先级变化。

可以理解nice值是进程优先级的修正数据

查看进程优先级的命令

用top命令更改已存在进程的nice：

top

进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

其他概念

竞争性: 系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高

效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级

独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰

并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行

并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为

并发

一般情况并发的多，因为大部分计算机都是少cpu多进程，由于cpu处理进程的速度相当于光超越车的速度，所以cpu可以给多个进程去分配它的时间，也就是cpu看似在同时处理进程但是这是给人的一种错觉，在cpu看来这些进程是按照一种顺序来执行，这里又要扯到前面讲的冯诺依曼体系了，在冯诺依曼体系中是不可能值运行一个进程的，在你开机的时候就已经开始1进程运行，当你的电脑连接到鼠标键盘显示器的时候这些进程也在PCB中已经描述组织完了，但是在人看来我鼠标在移动之中显示器的光标也在动，键盘打字时显示器也在显示，所以在人看来是同时的，但是在cpu执行的时候是由于速度太快，所以我们称之为并发。

环境变量

基本概念

环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数

如：我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但

是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。

环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性

常见环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径

HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)

SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。

查看环境变量方法

echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

写完之后才发现自己shell输错了，当时还在奇怪为什么不显示/bin/bash

补充：

测试PATH

\1. 创建hello.c文件

#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("hello PATH\n");
    return 0;
}

\2. 对比./hello执行和之间hello执行

\3. 为什么有些指令可以直接执行，不需要带路径，而我们的二进制程序需要带路径才能执行？

环境变量导致的有些命令可以全局使用！！！

\4. 将我们的程序所在路径加入环境变量PATH当中, export PATH=$PATH:hello程序所在路径

\5. 对比测试

和环境变量相关的命令

\1. echo: 显示某个环境变量值（前面已经演示过了）

\2. export: 设置一个新的环境变量（前面已经演示过了）

\3. env: 显示所有环境变量

\4. unset: 清除环境变量

\5. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量

环境变量的组织方式

通过代码获取环境变量

#include<stdio.h>
int main(int argc, char* argv[], char* env[])
{
	for (int i = 0; env[i]; i++)//env数组的结尾以空指针结束所以可以直接用env[i]控制循环
	{
		printf("%s\n ", env[i]);
	}
	return 0;
}

环境变量通常是具有全局属性的

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 char * env = getenv("MYENV");
 if(env){
 printf("%s\n", env);
 }
 return 0;
}

我们会看到在第一次执行时并没有出现环境变量的打印

进程地址空间

在c语言的学习过程中我们讲过这样一张表

当时只是说各个区域有各自的划分，并不能说对这个图已经是理解了；

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
int main()
{
    int main_val = 0;
    pid_t i = fork();
    if (i < 0)
    {
        perror("fork fail");
        return 0;
    }
    if (i == 0)
    {
        // child
        std::cout << getpid() << "main_val: " << main_val << std::endl;
    }
    else
    {
        // parent
        std::cout << getpid() << "main_val: " << main_val << std::endl;
    }
    return 0;
}

很明显符合我们的预期，但是如果我将main_val在子进程中直接改为100，让父进程等待5秒之后在进行那么结果是什么呢？

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
int main()
{
    int main_val = 0;
    pid_t i = fork();
    if (i < 0)
    {
        perror("fork fail");
        return 0;
    }
    if (i == 0)
    {
        // child
        main_val = 100;
        std::cout << getpid() << "main_val: " << main_val << std::endl;
        int i = 5;
        while(i--)
        {
            std::cout<<i<<"秒"<<std::endl;//因为写博客需要所以加的
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {
        // parent
        sleep(5);//first sleep 5 sec。。。。
        std::cout << getpid() << "main_val: " << main_val << std::endl;
    }
    return 0;
}

出乎意料的打印的还是0；

变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量
但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
在Linux地址下，这种地址叫做 虚拟地址
我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理

一句话概括就是每一个进程都有自己的独立的地址空间，通过页表对物理地址空间进行访问；