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前言
Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。博主将全程带领大家学习Linux的相关知识，本系列文章参考《鸟哥的Linux私房菜》推荐大家进行阅读学习。
一、冯诺依曼体系结构
计算机的硬件组件组成：
- 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
- 存储器：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。
二、操作系统
操作系统(OS)：任何计算机系统都包含的一个基本的程序集合。
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）
操作系统的设计目的：
- 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
计算机管理硬件（先组织再描述）：
- 描述起来，用struct结构体
- 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：
- 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。
- 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。
三、进程概念
进程概念
进程 = 内核数据结构 + 代码 + 数据
- 进程概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序。
- 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）
进程控制块 PCB（process control block）：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。
Linux - PCB：task_struct
- Linux操作系统中描述进程的结构体（PCB）—— 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。
typedef struct task_struct {
//进程所有属性
//进程代码地址
} PCD;
task_ struct内容分类
- 程序ID（PID、进程句柄）：它是唯一的，一个进程都必须对应一个PID。PID一般是整形数字
- 特征信息：一般分系统进程、用户进程、或者内核进程等
- 进程状态：运行、就绪、阻塞，表示进程现的运行情况
- 优先级：表示获得CPU控制权的优先级大小
- 通信信息：进程之间的通信关系的反映，由于操作系统会提供通信信道
- 现场保护区：保护阻塞的进程用
- 资源需求、分配控制信息
- 进程实体信息，指明程序路径和名称，进程数据在物理内存还是在交换分区（分页）中
- 其他信息：工作单位，工作区，文件信息等
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
方法一
大多数进程信息可以使用top和ps这些用户级工具来获取
ps axj | head -1 && ps axj | grep "进程名"
方法二
进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看
ls /proc
方法三
通过系统调用获取进程标示符
- 进程id（PID）
- 父进程id（PPID）
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main() {
printf("我的进程ID:%d\n", getpid());
printf("我的父进程ID:%d\n", getppid());
return 0;
}
创建进程（fork）
fork函数基本功能
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
using namespace std;
int main() {
pid_t ret = fork();
printf("进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());
sleep(1);
return 0;
}
此时会发现输出了两次不同的结果
通过fork()的返回值进行分流处理
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main() {
int ret = fork();
if (ret > 0) {
//father
printf("父进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());
} else if (ret == 0) {
//child
printf("子进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());
} else {
perror("fork");
return 1;
}
sleep(1);
return 0;
}
进程队列
进程队列数据结构
struct runqueue {
PCD *head;
//其他属性
};
操作系统控制图解
进程状态
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 */
};
| 状态 | 意义 |
|---|---|
| R运行状态（running） | 运行 - 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） | 浅度睡眠 - 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） | 深度睡眠 - 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） | 暂停 - 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。 |
| t追踪停止状态（tracing stop） | 表示程序正在被追踪（GDB调试时便是该状态） |
| 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。 |
运行状态 - R
示例代码
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
while (true) {
int a = 1;
a += 1;
}
return 0;
}
睡眠状态 - S
在访问显示器时绝大多数情况都是在阻塞状态，只有极少情况下是在运行状态，我这里将两种情况都进行了截屏。
示例代码
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
while (true) {
cout << "Runing~" << endl;
}
return 0;
}
停止状态 - T
暂停进程 -> 继续运行，可以看到R+变成了R，这是因为程序从前台运行变成了后台运行，并且^C无法终止调程序，需要使用kill命令的-9选项杀死进程。
kill -19 #暂停进程
kill -18 #继续运行
kill -9 #杀死进程
kill指令
僵尸进程 - Z
僵尸进程概念
-
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。
-
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。
示例代码
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main() {
pid_t id = fork();
if (id < 0) {
perror("fork");
return 1;
} else if (id > 0) {
cout << "parent - pid : " << getpid() << endl;
sleep(30);
} else {
cout << "child - pid : " << getpid() << endl;
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return 0;
}
运行脚本
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep text | grep -v grep; sleep 1; done
< defunct >表示失效，此时进程已经死亡，但是没有被回收。将父子进程都终止的时候，操作系统自动回收工作。
僵尸进程的危害
- 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。如果父进程如果一直不读取，那子进程将一直处于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！
- 一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，将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，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！
孤儿进程
孤儿进程概念
- 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，就要由init进程回收。
示例代码
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main() {
pid_t id = fork();
if (id < 0) {
perror("fork");
return 1;
} else if (id == 0) {
//child
cout << "child - pid : " << getpid() << endl;
sleep(10);
} else {
//parent
cout << "parent - pid : " << getpid() << endl;
sleep(3);
exit(0);
}
return 0;
}
进程优先级
优先级的必要性：需求量大，资源太少，需要进行分配管理。
- 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。
优先级的查看
ps -la
- 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，值越小进程的优先级别越高
- NI ：代表这个进程的修正数值nice值，其取值范围是[ -20, 20 )一共40个级别
PRI 与 NI
- 在Linux下，就是调整进程nice值，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。
- 进程的nice值不是进程的优先级，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
- PRI = PRI(默认) + nice
优先级的修改
top命令更改已存在进程的nice： 输入top -> 按r -> 输入进程PID -> 输入nice值
top
r
30613 # PID的值
9 # nice的值
四、总结
- 了解冯诺依曼的计算机硬件组成
- 了解操作系统的基本原理
- 进程概念的详解（图解PCB、进程的描述、状态、创建、组织、查看详解）
转载：https://blog.csdn.net/qq_64589446/article/details/128961140
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