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Linux进程概念

分类: 文章 • 2025-04-10 14:58:40

冯诺依曼体系结构

Linux进程概念

我们所认识的计算机，都是由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

所需强调的几点

  • 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）要输入或输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取
  • 所有设备都只能直接和内存打交道

 

操作系统

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

Linux进程概念

总结

计算机管理硬件

  1. 描述起来，用struct结构体
  2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

 

系统调用和库函数概念

  1. 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用
  2. 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发

 

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
  • 内核观念：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，Linux操作系统下的PCB是：task_struct

 

task_struct内容分类

  • 标识符：描述本进程的唯一标识符，用来区别其它进程
  • 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

 

组织进程

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

 

通过系统调用获取进程标识符

  • 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

  • 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 ret = fork();
    printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    sleep(1);
    return 0;
}
  • fork 之后通常要用 if 进行分流
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    if(ret < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0){ //child
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }else{ //father
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

 

进程状态

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

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 */
};
  • R运行状态（running）：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里
  • S睡眠状态（sleeping)：意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠（interruptible sleep））
  • D磁盘休眠状态（Disk sleep）有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束
  • T停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP 信号来停止（T）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
  • X死亡状态（dead）：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态

 

进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

Linux进程概念

Z(zombie)-僵尸进程

  • 僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当子进程退出时，父进程没有调用wait函数或者waitpid()函数等待子进程结束，又没有显示忽略SIGCHILD信号，那么它将一直保持在僵尸状态
  • 僵死进程会以终止状态保持在进程表中，一个进程在调用exit()函数结束时，并没有真正的销毁，而是留下一个称为僵尸进程的数据结构，僵尸进程放弃了几乎所有的内存空间，没有可执行的代码，也不能被调度，仅仅在进程列表中保持一个位置，记载该进程的退出状态等信息，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

 

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
  • 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
  • 那一个父进程创建了很多子进程，如果一直不回收，就会造成内存资源的浪费，因为数据结构对象本身就要占用内存，例如C中定义一个结构体变量（对象），要在内存的某个位置进行开辟空间。这样的话就会造成内存泄漏

 

怎样避免僵尸进程

  • 使用signal函数显示忽略SIGCHILD信号，即父进程调 用sigaction将SIGCHLD的处理动作设置为SIG_IGN,这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉,不会产生僵尸进程,也不会通知父进程，由内核直接处理。系统默认的忽略动作和用户用sigaction函数自定义的忽略通常是没有区别的,但这是一个特例
  • 父进程调用wait或者waitpid()函数等待子进程结束，如果尚无子进程退出wait会导致父进程阻塞，waitpid可以通过传递WNOHANG使父进程不阻塞立即返回
  • 如果父进程很忙可以用signal注册信号处理函数，在信号处理函数调用wait/waitpid等待子进程退出
  • fork两次，父进程fork创建一个子进程然后waitpid等待子进程退出，子进程再fork一个孙进程后退出，这样子进程退出后会被父进程等待回收，而对于孙进程其父进程已经退出所以孙进程成为一个孤儿进程，孤儿进程由init进程接管，孙进程结束后，init会等待回收

孤儿进程

  • 父进程如果提前退出或被杀死，子进程就会进入Z状态，这样的进程就被称之为“孤儿进程”
  • 孤儿进程被1号init进程领养，由init进程回收

 

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
  • 优先权高的进程有优先执行的权利，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，把不重要的进程安排到某个CPU，大大改善系统整体性能

查看系统进程

ps -l

会类似输出以下几个内容

  • 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
  • nice值，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

 

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下分别并且同时进行运行，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

 

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（即用户登录到Linux系统中时，默认的目录）
  • SHELL：当前Shell，他的值通常是/bin/bash

查看环境变量的方法

echo $NAME //NAME：环境变量的名称

和环境变量相关的指令

  1. echo：显示某个环境变量
  2. export：设置一个新的环境变量
  3. env：显示所有的环境变量
  4. unset：清除环境变量
  5. set：显示本地的shell变量和环境变量

环境变量的组织方式

Linux进程概念

每个程序都会收到一张环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以 '\0' 结尾的环境字符串

 

通过代码如何获取环境变量

  • 命令行第三个参数
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{
    int i = 0;
    for(; env[i]; i++){
    printf("%s\n", env[i]);
    }
    return 0;
}
  • 通过第三方变量environ获取
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    extern char **environ;
    int i = 0;
    for(; environ[i]; i++){
        printf("%s\n", environ[i]);
    }
    return 0;
}

libc中定义的全局环境变量environ指向环境变量表，environ没有包含在任何头文件中，所以在使用时要用extern声明

 

通过系统调用获取或设置环境变量

getenv

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    printf("%s\n", getenv("PATH"));
    return 0;
}

常用getenv和putenv函数来访问特定的环境变量

环境变量通常是具有全局属性的，可以被子进程继承下去，是因为内存配置的关系

  • 当启动一个shell，操作系统会分配一记忆块给shell使用，此内存内的变量可让子进程取用
  • 若在父进程利用export功能，可以让自定义变量的内容写到上述的记忆块当中（环境变量）
  • 当加载另一个shell时（即启动子进程，而离开原本的父进程了），子shell可以将父shell的环境变量所在的记忆块导入自己的环境变量块当中

 

程序地址空间

Linux进程概念

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
    return 0;
    }
    else if(id == 0){ //child
        printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }else{ //parent
        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

输出

//与环境相关，观察现象即可
parent[2995]: 0 : 0x80497d8
child[2996]: 0 : 0x80497d8

输出出来的变量值和地址是一模一样的，因为子进程按照父进程为模板，父子并没有对变量进行修改，但如果对代码稍作修改

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
        return 0;
    }
    else if(id == 0){ //child,子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取
        g_val=100;
        printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }else{ //parent
        sleep(3);
        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

输出

//与环境相关，观察现象即可
child[3046]: 100 : 0x80497e8
parent[3045]: 0 : 0x80497e8

这时，父子进程输出地址是一致的，但是变量的内容却发生了改变

  • 变量内容不同，所以父子进程输出的变量绝对不是相同的变量
  • 地址相同，说明该地址绝不是物理地址
  • 在Linux地址下，这种地址叫做虚拟地址
  • 在编写C/C++代码时所看到的地址，全部是虚拟地址，物理地址用户一般无法查看，由OS统一管理

OS必须负责将虚拟地址转化为物理地址

 

进程地址空间

之前说“程序的地址空间”是不准确的，准确的应该说成进程地址空间

分页&虚拟地址空间

Linux进程概念

说明

同一个变量，地址相同，其实是虚拟地址相同，内容不同其实是被映射到了不同的物理地址

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