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Linux中对进程的理解

水墨_青花 2022-03-13 阅读 98
linux

文章目录

1 再次谈谈进程的概念

我们都知道，进程只不过是一个被加载到内存的一个可执行程序罢了，但是仅仅这么理解是不够的，进程，绝对不是就是一个被加载到内存的可执行程序；
再次期间，我们需要理解，程序是谁把它加载到内存的？答案是操作系统；
那么程序被操作系统加载到内存时候，是否需要对进程进行管理呢？答案也是肯定的，当然需要管理。
那么进程一旦被操作系统管理，那么操作系统又是如何管理进程的呢？答案是：通过描述进程的各种属性，然后对该属性进行管理，从而达到管理该进程的目的；

通过代码来看看进程的样子：
在这里插入图片描述

2 进程的PCB（task_struck）中到底有什么东西，如何理解这些属性

task_ struct内容分类

  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
  • 首先进程的属性，标识符是什么意思，每个进程都有一个唯一标识符，很明显标识符类似一种身份的东西，它就代表进程的身份；我们可以通过代码来获得这个进程的表示符；
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
  while(1)
  {
    
    printf("本进程的标识符getpid = %d\n本进程的父进程的getppid = %d\n",getpid(),getppid());
    sleep(1);
  }

  return 0;
}

在这里插入图片描述

查看进程的方式：通过命令：ps -ajx | grep myproc,其中myproc为进程的名字；
通过man 2 getpid查看 getpid的相关属性和getppid的相关属性
在这里插入图片描述

  • 如何理解tast_struct的属性：任务状态，退出代码，退出信号等。
    这里说一说这个退出代码：比如我们写的main函数，进程返回0时候， 这个0就是退出代码，可以通过echo $？查看; echo $? 会输出离该命令最近运行程序的退出状态码，当然你的命令也是属于程序，当执行命令后，也可以退出状态码；
    再说这个，任务状态又是什么，呃呃，其实一两句话很难说清楚，就是一个进程在内存中是有多个状态的，比如就绪状态，，等待状态呀，运行状态；这个就好比我们人，在去面试的时候，也有等待状态呀，面试时候的状态呀，什么准备面试的状态呀这样；反转我们得知道，这个状态可以表示当时程序处于什么样的状态，那么该进程就得做什么样的事就可以了；
  • 优先级也很好理解：优先级也就是每个进程被执行的优先程度，看看哪个进程被cpu调度而已，我们可以通过一些代码策略改变进程的优先级，但是一般每个进程都会有一个时间片，时间片的意思是：该进程被cpu执行的时间，一旦该进程能够在时间片执行结束，那么该进程就结束，不可以在一个时间片内结束，那么该进程就被操作系统调度，离开cpu,让另一个进程来获得cpu的使用权，也就是操作系统调度了另一进程给cpu执行；按道理来说每个进程的时间片都是相等的，也就是说cpu执行每个进程的时间都是公平的，但是我们可以通过一些策略修改进程的执行顺序，也就是说，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。理解这个程序计数器，我们知道程序是有一种执行状态得，顺序执行，跳转执行，本质执行指令，都是cpu调度得结果，cpu怎么知道如何执行你的代码指令呢？就是通过这个程序计数器来判断，这个程序计数器就是一个寄存器，存放该进程下一条要执行的指令；
  • 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；
    要知道，我们的进程是包括，进程的代码和相关数据+该进程的PCB信息，那么进程的PCB信息是如何和进程的代码联系起来的呢？那就是通过这个内存指针，这个内存指针会执行进程的代码和相关数据；然后OS通过管理PCB，进而就会管理到PCB中的内存指针，由于有内存指针指向了代码和相关数据，那么也就管理到了进程的代码和相关数据；
  • [ ]上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据。
    上下文信息，说到这个，我都非常激动，因为这个是理解进程的核心概念属性；上下文数据，上下文信息都可以这么叫，那到底什么是上下文信息呢？
    我们知道程序在运行时候，是需要把一些临时数据存放在寄存器中的，这些临时数据是运行程序的关键数据，我们也知道，每个进程都会有一个时间片，当该时间片被用完了，OS就会让该进程离开CPU，进入让另一个进程来使用CPU，但是我们知道，如果一个进程离开CPU前，什么都没有留下来的话（也就是相关的数据:比如该进程在执行过程中，突然到一半时候，时间片用完，但是数据还没有被处理完全，这个时候这个数据没有被留下来，没有被保存），此时等下次再次调度该进程，由于什么之前离开的相关数据都没有被保存下来，CPU执行该进程就不可以恢复到上次没有执行完的哪个步骤了；类似于在一个学习，你说你要去当兵，但是你离开学校前，并没有和学习说明情况，没有把你的学籍保留，没有告知学校你的课程没有上完，此时你冒然离开；学校不知道你离开的事实，就把你当作旷课处理，等你当兵回来时候，发现自己被开除了；就和进程的道理一样；
    所以说：上下文信息：就是一个进程被调度时候，需要保存的临时信息；
    并且这个信息有保存信息，和恢复信息的操作；保存信息的意思是：进程离开CPU 时候，该进程的寄存器相关属性信息被保存在了PCB中，恢复信息是：进程获得CPU时候前，需要恢复原来离开CPU时候保存下来的信息，这样才可以继续使用CPU，被调度执行；

为什么上下文信息需要被保存切换呢？

其他的信息就不怎么谈了，我们要知道PCB就是一个进程的控制块，被OS所管理，OS管理进程控制块，也就是PCB，通过一些数据结构的方式管理，比如链表啥的，管理了PCB也就管理了进程的代码，因为PCB属性里有一个内存指针，指向了进程代码和相关数据；
OS不直接管理进程的代码，而是通过进程的PCB间接管理进程的相关代码和数据；

3 查看进程的方式

  1. ps ajx | grep 进程 :查看进程相关信息；
    在这里插入图片描述

如果需要配合相关的详细信息：
2. ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 进程，这个命令会多了一些进程相关信息的解释；
在这里插入图片描述
3.通过文件查看文件 /porc查看进程，这个目录是Linux带给我们的一个查看进程的一个目录
在这里插入图片描述
其中数字都是一些进程的ID号；
可以通过ls -l /proc/进程id号查看你的进程的详细信息属性；

4 创建进程的方式

  1. 第一种创建进程的方式：就是指向我们的命令，这就是创建进程了，只不过指向命令时候进程一下子就执行完了；比如：执行ls命令，这就是创建进程了，执行结果就是显示文件名倍；
  2. 第二种就是我们写好的程序通过./a.out方式调用,也是在创建进程；
  3. 通过fork函数来创建子进程；

5 理解fork创建子进程

fork函数创建子进程，它可以达到一个效果：创建成功后，fork之后的代码会执行两次：
在这里插入图片描述

其实fork之后就是创建出一个子进程，它的父进程就是main函数；而main函数的父进程就是bash进程，bash也就是命令行解释器；
在这里插入图片描述

该如何理解我们fork创建子进程这个说法？

在这里插入图片描述

fork之前的代码会被共享嘛？

fork之后的子进程数据也是共享的嘛？

fork之后的子进程是和父进程相互独立？

6 fork的返回值意义

我们说，假如在父进程创建了一个子进程，让父子进程都做一样的事情有意义嘛？其实是没意义的，既然我父进程本来不fork都可以完成的是，为什么还要fork一个新的子进程来做和父进程一样的事情；
所以说我们fork是有返回值的，这个返回值的意义就是：
可以让父子进程做不一样的是：
fork一次调用，两次返回：
在父进程返回子进程的pid，在子进程返回0；

在这里插入图片描述

代码验证以下：一次调用，两次返回
在这里插入图片描述

如何理解fork一次调用两次返回？
在这里插入图片描述

如何理解fork返回是两个不同的pid，也就是返回值不一样呢？

如何理解给父进程返回子进程的id，给子进程返回0呢？

7 fork的基本使用

#include<iostream>    
#include<unistd.h>                                                 
    
int main()    
    
{    
  pid_t pid = fork();    
    
  if(pid == 0){    
    //child process    
    while(true){    
    
      std::cout<<"i am a child pid = "<<getpid()<<"parent pid = "
      <<getppid()<<"fork ret = "<< pid <<std::endl;        
      sleep(1); //子进程睡一秒，为了让cpu调度执行父进程    
    }    
  }    
  else if(pid >0){    
    //parent process            
    while(true){    
      std::cout<<"i am parent pid = "<<getpid()<<"parent pid = "
      <<getppid()<<"fork ret = "<< pid <<std::endl;        
      sleep(1);//父进程睡1秒，为了让cpu调度执行子进程    
      
    }    
  }    
  else{  
     //error
  }
  sleep(1);
  return 0;

执行的结果如下；
在这里插入图片描述

以后我们就可以通过fork创建子进程，通过if else 分流实现在不同的进程执行不同逻辑的代码

8 Linux的进程状态理解

为什么我们要强调Linux系统下的进程状态呢？
我们平时在操作系统书本上看的进程状态，它们都不是具体的状态，也就是说：操作系统书上的进程状态更加一般化，它适用于任何操作系统上的进程状态解释；
往往我们理解操作系统书本上的进程状态都比较吃力，是因为没有一个具体的操作系统去理解进程转台到底是什么意思：

这是操作系统书上一般化的进程状态的解释：
在这里插入图片描述

我们可以看看我们Linux内核对进程状态是如何解释的：

*
* 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 */
};

首先我们可以问问问自己进程状态的信息存在哪里呢？

进程的状态的意义是什么？

我们一个一个来理解具体的进程状态：
首先是进程状态R

处于运行态的进程一定会被CPU调度嘛？

代码验证一下R状态：

#include<iostream>
#include<unistd.h>

int main()
{
	while(true);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

对于S和D状态：

比如：在我们进程为了读取磁盘信息时候，发现磁盘没有信息，在访问网卡资源时候，发现网卡还没有资源，在等待键盘输入字符时候，我们还没有按下键盘字符，此时的进程都会被放入一个等待队列中，等待该条件触发，才可以被调度；
换句话说：不是所有的进程都是为了等待CPU资源的，而我们的等待队列的进程就不是为了等待CPU资源，而是等待其他外设的资源，因为外设的资源太慢了，不可以让该进程在运行态的队列等待cpu资源，只能让它到放到另一个队列：即等待队列中等待外设资源；
当我们外设资源等到，也就是比如说磁盘又内容可以读时候，我们操作系统就会把该等待磁盘资源的进程，从等待队列插入到运行队列中，等待CPU调度；
也就是说：进程的状态不是一成不变的，而是会更具它需要完成某种任务功能而发生改变的；

在这里插入图片描述

S状态和D状态的理解

R状态和S状态之间的联系

T状态：

t状态：

X状态：

9 僵尸进程

Z状态：

僵尸进程的状态演示：
我们控制让子进程先退出，父进程不退出，观察子进程的状态：

#include<unistd.h>    
    
int main()    
    
{    
  pid_t pid = fork();    
    
  if(pid == 0){    
  //child process    
    
    std::cout<<"i am a child pid = "<<getpid()<<"parent pid = "<<getppid()<<"fork ret = "<< pid <<std::endl;        
    return 1;    
}    
  else if(pid >0){    
  //parent process    
    
  while(true){    
    std::cout<<"i am parent pid = "<<getpid()<<"parent pid = "<<getppid()<<"fork ret = "<< pid <<std::endl;        
    sleep(1);//父进程睡1秒，为了让cpu调度执行子进程    
  }    
 }                                                                                      
 else{    
  //error    
 }    
  sleep(1);    
  return 0;

在这里插入图片描述

僵尸进程的危害：

对于如何避免这种状态的产生之后会分析。

10 孤儿进程

孤儿进程：也就是父进程先退出了，子进程还没退出，此时这个子进程就会成为孤儿进程；
父进程退出了，没有回收子进程，那么子进程就会被1号进程领养，也就是说：1号进程成为孤儿进程的父进程；
1号进程就是操作系统，孤儿进程自然而然会给1号进程回收；

我们也来代码演示一下：
让父进程先退出，子进程继续运行；

#include<iostream>                                                                                                   
#include<unistd.h>

int main()

{
  pid_t pid = fork();

  if(pid == 0){
  //child process

  sleep(30); //子进程睡30秒，让父进程执行它的代码，让他退出，为了让子进程形成孤儿进程
    std::cout<<"i am a child pid = "<<getpid()<<"parent pid = "<<getppid()<<"fork ret = "<< pid <<std::endl;
  }
  else if(pid >0){
  //parent process

    std::cout<<"i am parent pid = "<<getpid()<<"parent pid = "<<getppid()<<"fork ret = "<< pid <<std::endl;
  }
 else{
  //error
 }
  sleep(1);
  return 0;
}

在这里插入图片描述

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