Linux 进程概念与进程状态

目录

  • 1. 冯诺依曼体系结构
  • 2. 操作系统(Operator System)
    • 2.1 概念
    • 2.2 设计OS的目的
    • 2.3 系统调用和库函数概念
  • 3. 进程概念
    • 3.1 描述进程 - PCB
    • 3.2 task_struct
    • 3.3 查看进程
    • 3.4 通过系统调用获取进程标识符PID, PPID
    • 3.5 通过系统调用创建fork
  • 4. 进程状态
    • 4.1 Linux内核代码描述的进程
    • 4.2 进程状态的查看
    • 4.3 Z(zombie) 僵尸进程
    • 4.4 孤儿进程

1. 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机, 比如笔记本, 不常见的计算机, 比如服务器, 大部分都遵守冯诺依曼体系结构。

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截至目前,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。

注意:

  1. 这里的存储器指的是内存
  2. 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(输出或输入设备)
  3. 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。
  4. 一句话,所有设备都只能和内存打交道

任何程序,运行的时候, 都必须从磁盘加载到内存,why?
答案:体系结构决定的。
为什么要有内存?
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如果输入输出设备直接和CPU进行打交道, 那么效率太低了, 这样只能以外设的效率为主。
内存是CPU和外设之间的一个巨大缓存。

2. 操作系统(Operator System)

2.1 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)

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2.2 设计OS的目的

对下,与硬件交互,管理所有的软硬件资源(手段)
对上,为⽤⼾程序(应⽤程序)提供⼀个良好的执⾏环境(目的)

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问题: 你的程序能直接写入硬件吗?
答案:不能, 都必须通过OS。

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首先先看下面半部分, 那么操作系统是如何管理内存, 进程, 文件, 驱动的呢?

先描述,在组织。

把一个一个的硬件都描述成一个一个的链表, 然后链接起来,那么操作系统对于硬件的管理就相当于对链表的增删查改。
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再看上面这部分, 操作系统不相信任何用户, 所以封闭起来,而 操作系统必须向上层提供各种接口,方便上层使用,也就是system call, 系统调用接口, 而系统掉哟接口,需要对操作系统有所了解, 使用起来会比较麻烦, 所以封装了各种的库, 方便我们进行系统的调用, 而这个接口只能是C语言接口, 因为这些系统调用都是C语言写的,所以所有的软件底层,都必须和C直接或者间接相关!

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

2.3 系统调用和库函数概念

在开发⻆度,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。

系统调⽤在使⽤上,功能⽐较基础,对⽤⼾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⼾或者开发者进⾏⼆次开发。

那在还没有学习进程之前,就问⼤家,操作系统是怎么管理进⾏进程管理的呢?很简单,先把进程描述起来,再把进程组织起来!

3. 进程概念

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。

这里进程可以认为
进程 = 内核数据结构(task_struct) + 程序的代码和数据

3.1 描述进程 - PCB

概念: 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
    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。

3.2 task_struct

内容:

  1. 标⽰符: 描述本进程的唯⼀标⽰符,⽤来区别其他进程。
  2. 状态: 任务状态,退出代码,退出信号等。
  3. 优先级: 相对于其他进程的优先级。
  4. 程序计数器: 程序中即将被执⾏的下⼀条指令的地址。
  5. 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。
  6. 上下⽂数据: 进程执⾏时处理器的寄存器中的数据。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。

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3.3 查看进程

  1. 进程的信息可以通过 /proc 系统⽂件夹查看
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  2. ⼤多数进程信息同样可以使⽤top和ps这些⽤⼾级⼯具来获取

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3.4 通过系统调用获取进程标识符PID, PPID

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;
}

3.5 通过系统调用创建fork

  1. 运⾏ man fork 认识fork
  2. fork有两个返回值
  3. ⽗⼦进程代码共享,数据各⾃开辟空间,私有⼀份(采⽤写时拷⻉)
  4. 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){ //childprintf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}else{ //fatherprintf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}sleep(1);return 0;
}
  1. id的返回值, 给父进程的是subpid,给子进程的返回值是0
  2. 一个变量怎么会有俩个返回值呢?为什么?
    因为需要进行独立, 怎么做到的TODO,fork之后,谁先运行,由操作系统的调度器自主决定。

4. 进程状态

首先来看一下进程的状态, 当然这是广义上操作系统的进程状态,并不是linux的进程状态

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补充知识:

  1. 并行和并发

CPU执行进程代码,不是把进程执行完毕, 才开始进行下一个进程,而是给每一个进程分配一个时间片,基于时间片,进行调度轮转(单CPU下),此叫做并发。
解释一下:多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式,在一段时间内,让多个进程都得以推进,称之为并发

并行:多个进程在多个CPU下分别,同时进行,这称之为并行。

  1. 时间片

Linux/Windows民用级别的OS,分时操作系统

  1. 等待的本质

链入目标外部设备,CPU不调度

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只要进程在运行队列中,该进程就叫做运行状态。

运行和阻塞的本质:是让不同的进程,处在不同的队列中。
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挂起(了解一下)

挂起分为运行时挂起和阻塞时挂起, 当内存资源严重不足时, 会利用swap分区(磁盘),将这些进程移至磁盘中, 用时间换空间。而服务器一般会禁用掉此功能, 因为挂起状态会频繁访问外设,效率太低。

4.1 Linux内核代码描述的进程

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 */
};

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(interruptiblesleep))。

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 信号给进程来停⽌(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。

4.2 进程状态的查看

ps aux / ps axj 命令

a:显⽰⼀个终端所有的进程,包括其他⽤⼾的进程。

x:显⽰没有控制终端的进程,例如后台运⾏的守护进程。

j:显⽰进程归属的进程组ID、会话ID、⽗进程ID,以及与作业控制相关的信息

u:以⽤⼾为中⼼的格式显⽰进程信息,提供进程的详细信息,如⽤⼾、CPU和内存使⽤情况等

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4.3 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。

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!

例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(){pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id > 0){ //parentprintf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());sleep(30);}else{printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;

编译并在另⼀个终端下启动监控

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开始测试

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看到结果

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4.4 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。

例子:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id == 0){//childprintf("I am child, pid : %d\n", getpid());sleep(10);}else{//parentprintf("I am parent, pid: %d\n", getpid());sleep(3);exit(0);}return 0;
}

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