Linux | Linux进程万字全解：内核原理、进程状态转换、优先级调度策略与环境变量

冯·诺依曼架构的最关键特点是程序指令和数据都存储在内存中 ，并且CPU可以直接访问内存来读取指令和数据。所有的输入和输出操作都是通过内存来进行的，即数据首先被写入内存，然后CPU从内存中读取数据进行处理，处理结果再写回内存，最后通过输出设备显示或打印出来。通俗的说，CPU大脑只和内存打交道，不和其它设备直接沟通。内存在冯诺依曼架构中充当中间件的作用。

笔记：我们常说的IO流是指内存和外设之间的通信！

思考：为什么计算机不能直接设计为输入设备-CPU运算-输出设备的结构？

其中一个原因是，计算机需要存储程序和数据。如果没有存储器，CPU将无法记住程序指令和处理的数据。但更本质的原因是CPU的运算速度远远超过大多数输入和输出设备，如果没有内存作为数据缓冲区，CPU在等待慢速的输入设备（如键盘或鼠标）提供数据或等待输出设备（如打印机或显示器）处理数据时，将会浪费大量计算资源。 (CPU的执行过程也是流水线木桶原理告诉我们计算总时间取决于木桶的短板~)

2、操作系统(Operator System)

操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统中最基本的系统软件，它负责管理和控制计算机硬件和软件资源。操作系统在整个计算机软硬件架构中，定位为"管理"的软件，它处于应用软件和硬件之间的中间层，使用面向对象的思想，先描述资源，再管理资源，使得用户能够方便地使用计算机。

概念

操作系统是一组程序，它提供了计算机硬件和用户应用程序之间的接口。操作系统的主要功能包括：

内核：操作系统的核心部分，负责进程管理、内存管理、文件系统管理和设备驱动程序管理等。
其他程序：如函数库、Shell（命令行界面）、图形用户界面（GUI）等，这些程序为用户提供了与操作系统交互的接口。

设计OS的目的

与硬件交互：操作系统是计算机硬件的直接管理者，它通过内核与硬件进行交互，实现对硬件资源的控制。
管理软硬件资源：操作系统负责分配和管理CPU时间、内存、存储设备和输入输出设备等资源。
提供执行环境：为用户程序（应用程序）提供执行所需的环境，包括文件系统、网络通信、安全机制等。

描述和组织被管理对象

硬件资源：CPU、内存、存储设备、输入输出设备等。
软件资源：用户程序、系统程序、库文件等。

3、进程

基本概念

课本概念：进程是程序的一个执行实例，是正在执行的程序。
内核观点：进程是分配系统资源（如CPU时间和内存）的实体。

进程id和父进程id

进程 ID（Process ID，PID）和父进程 ID（Parent Process ID，PPID）是操作系统中用于标识和管理进程的关键属性

进程 ID (PID)：

每个运行中的进程都有一个唯一的数字标识符，称为 PID。
PID 是由操作系统分配的，用于区分系统中的每个进程。
它通常从1开始递增，但操作系统重启后会重置。
可以通过命令如 ps 来查看系统中所有进程的 PID。

父进程 ID (PPID)：

每个进程都有一个父进程，除了初始进程（通常 PID 为1 的进程，如 init 进程）。
PPID 是指启动当前进程的父进程的 PID。
父进程可以控制子进程的执行，例如发送信号、终止子进程等。
当父进程终止时，子进程通常会被 init 进程接管，init 进程的 PID 通常为 1.

C语言利用系统调用接口获取PID、PPID：

getpid()：这是一个系统调用，用于获取调用进程的 PID。
getppid()：这也是一个系统调用，用于获取调用进程的父进程的 PID。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    printf("pid: %d\n", getpid());
    printf("ppid: %d\n", getppid());
    return 0;
}

进程描述-PCB进程控制块

PCB是存储进程信息的数据，结构进程的属性集合被存储在PCB中。
在Linux操作系统中，描述进程的结构体是task_struct。
在Linux内核源代码中，所有进程以task_struct双向链表的形式被组织起来

task_struct内容分类

标示符：进程的唯一标识符。

状态：包括任务状态、退出代码、退出信号等。

优先级：进程相对于其他进程的优先级。

程序计数器：指向程序中即将执行的下一条指令的地址。

内存指针：指向程序代码、进程数据以及共享内存的指针。

上下文数据：处理器寄存器中的数据，用于进程切换时保存和恢复状态。

I/O状态信息：包括I/O请求、分配的I/O设备和使用的文件列表。

记账信息：可能包括处理器时间、使用的时钟数、时间限制和账号信息。

other...

查看进程

目录 /proc********下存在进程的相关信息(进程产生时创建、销毁时删除，目录名为进程PID) ，进程信息可以通过/proc系统文件夹查看，例如/proc/1包含PID为1的进程信息。
用户级工具如top和ps也可以用来获取进程信息。

🔔
常用命令解释： ps axj | head -1 && ps axj | grep ...

ps axj：

ps：进程状态命令。

ax：显示所有进程，包括其他用户的进程。a 表示显示其他用户的进程，x 表示显示没有控制终端的进程。

j：使用 jobs 格式来显示进程信息，这种格式将进程的相关信息以易于阅读的方式展示，包括进程的父子关系。

head -1：

head：一个命令，用于显示文件的开始部分，默认情况下显示前10行。

-1：选项，表示只显示一行。在这个上下文中，它与 ps axj 结合使用，只显示进程列表的第一行，这通常是列标题。

ps axj | head -1********用于打印ps命令字段含义。

&&：

逻辑与操作符。用来执行&&前后两条命令则执行后面的命令。

grep ...：

grep：一个文本搜索工具，用于搜索包含指定模式的行。

...：需要搜索的进程名称。

****ps axj | grep ...****用于打印ps命令经过grep命令筛选后特定的字段内容。
首先显示所有进程的标题行，如果成功显示，则继续执行第二个命令，即显示所有进程的列表，并过滤出包含特定模式的进程。

简单的进程监控脚本

在****ps axj | head -1 && ps axj | grep ...****的基础上可以设计一个循环shell脚本，一秒钟查询一次进程状态。

cpp 复制代码

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep ...; echo ""; sleep 1; done

在C语言中通过系统调用fork函数创建进程

fork() 是一个在 Unix 和类 Unix 操作系统中创建新进程的系统调用。它是进程创建的基础，并且是多任务和多线程编程中非常重要的一部分。

fork()系统调用：

fork() 创建一个新的进程，这个新进程是调用进程的一个副本。
fork() 返回两次：一次在父进程中（返回子进程的 PID），一次在子进程中（返回 0）。
如果 fork() 调用失败，它会在父进程中返回 -1，并且设置全局变量 errno 以指示错误。
fork() 之后，父进程和子进程将从 fork() 调用之后的代码点继续执行，这可能导致代码的重复执行。通常使用 if 语句来区分父进程和子进程的行为。
子进程继承了父进程的所有资源，但是它们拥有不同的 PID 和 PPID。
在使用 fork() 创建大量子进程时，需要考虑资源限制和僵尸进程问题(后续进程状态介绍)。

示例1：使用 `fork()` 创建新进程，并通过返回值区分父子进程

cpp 复制代码

#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) { // 子进程
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    } else { // 父进程
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

示例2：使用 `fork()` 创建新进程，并打印相关信息

cpp 复制代码

#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;
}

4、进程状态

Linux 系统中的进程管理是操作系统的核心功能之一。Linux内核定义了多种进程状态，包括运行（R）、睡眠（S）、不可中断睡眠（D）、停止（T）、追踪停止（t）、死亡（X）和僵尸（Z）。

进程状态概览

在 Linux 内核中，进程（或称为任务）可以处于以下状态：

运行状态 (R - Running) ：

进程正在使用 CPU，或者在 CPU 运行队列中等待被调度。

睡眠状态 (S - Sleeping) ：

进程正在等待某个事件发生，如网络响应或文件 I/O 完成。这种睡眠是可中断的，进程可以被唤醒。

磁盘休眠状态 (D - Disk Sleep) ：

进程正在进行 I/O 操作，如磁盘读写，但无法被中断。这种状态也称为不可中断睡眠状态。

停止状态 (T - Stopped) ：

进程被 SIGSTOP 信号停止，通常用于调试或系统管理。进程可以通过 SIGCONT 信号恢复运行。

追踪停止状态 (t - Tracing Stop) ：

进程因为某些原因被系统调用或工具追踪并停止，通常用于系统分析和监控。

死亡状态 (X - Dead) ：

进程已经结束其执行，但尚未从进程表中完全移除。这是一个过渡状态，系统将很快回收其资源。

僵尸状态 (Z - Zombie) ：

进程已经结束，但父进程尚未读取其退出状态。僵尸进程占用系统资源，尤其是进程 ID，直到父进程调用 wait() 或 waitpid() 函数。

cpp 复制代码

/*
* 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 */
};

僵尸状态(子进程结束却没被父进程回收)

僵尸进程（Zombie Process）是 Linux 和类 Unix 系统中一种特殊的进程状态。在这种状态下，进程已经完成其执行，但它的进程描述符（PCB）仍然保留在系统中。这种状态的进程不占用 CPU 资源，但它们仍然占用一个进程 ID（PID）和其他一些资源。

形成僵尸进程的条件

子进程退出 ：子进程完成其任务后调用 exit() 或者返回从 main() 函数，这会导致子进程退出。
父进程未读取状态 ：如果父进程没有调用 wait() 或 waitpid() 来读取子进程的退出状态，子进程就会变成僵尸状态。

僵尸进程的危害

占用进程 ID：僵尸进程继续占用一个进程 ID，这在系统资源有限的情况下可能是个问题。
内存泄漏：虽然僵尸进程不占用 CPU 资源，但它们仍然保留在进程表中，进程表本质是一个结构体，也需要占用系统内存资源，造成了内存泄露

示例代码：创建并观察僵尸进程

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t id = fork();
    if (id < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (id > 0) { // 父进程
        printf("Parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
        sleep(30); // 父进程睡眠，不读取子进程状态，形成僵尸进程
    } else if(id == 0){ // 子进程
        printf("Child[%d] is beginning...\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

程序开始时，父进程被创建。
父进程通过 fork() 创建子进程。
子进程打印开始消息，休眠5秒，然后退出。
父进程打印正在睡眠的消息，然后休眠30秒。由于父进程在sleep时间内不检查子进程的状态，子进程在退出后会变成僵尸进程。

孤儿状态(父进程结束子进程还在)

孤儿进程（Orphan Process）是其父进程已终止，但子进程仍在运行的进程。在类 Unix 系统中，孤儿进程会被 init 进程（通常是 PID 为 1 的进程）领养，并最终由 init 进程回收。

孤儿进程的形成：

父进程退出：父进程由于某种原因（如正常退出、被终止等）而结束运行。
子进程仍在运行：在父进程退出时，如果有任何子进程仍在运行，这些子进程就会变成孤儿进程。

孤儿进程的处理：

init********进程领养 ：系统会自动将孤儿进程的父进程设置为 init 进程（PID 为 1）。
状态变更 ：孤儿进程在结束运行后，会进入僵尸状态（Zombie State），等待 init 进程读取其退出状态。
资源回收 ：init 进程会周期性地检查并回收孤儿进程的资源，包括其进程描述符等。

示例：孤儿进程的形成和处理：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    pid_t pid = fork(); // 创建子进程
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("Child process, PID: %d, PPID: %d\n", getpid(), getppid());
        // 子进程继续运行，模拟父进程退出后的场景
        sleep(10);
    } else {
        // 父进程退出，子进程成为孤儿进程
        printf("Parent process, PID: %d, exiting and leaving child orphaned.\n", getpid());
        sleep(3);
        _exit(0);
    }

    // 子进程代码不会被执行，因为父进程已经退出
    return 0;
}

在这个示例中，父进程创建了一个子进程，然后立即退出。这导致子进程成为孤儿进程。在实际系统中，init 进程会接管这个孤儿进程，并在其退出后回收资源。

5、进程调度与优先级

在 Linux 系统中，进程优先级决定了 CPU 资源的分配顺序。进程优先级可以通过nice值调整，nice值的范围是-20至19，nice值越小进程优先级越高。进程调度是操作系统的核心功能之一，它决定了进程执行的顺序。

基本概念

进程优先权（Priority）：决定了进程被 CPU 执行的先后顺序。优先权高的进程会优先获得 CPU 时间。
多任务环境：在多任务环境中，合理配置进程优先级可以显著改善系统性能。

查看系统进程

在 Linux 或 Unix 系统中，可以使用 ps -l 命令来查看系统进程列表。

输出将包括以下重要信息：

UID：用户 ID，表示执行进程的用户身份。

PID：进程 ID，是进程的唯一标识。

PPID：父进程 ID，表示该进程是由哪个父进程创建的。

PRI：进程的优先级。

NI：nice 值，表示进程优先级的修正数值。

PRI 和 NI

PRI：进程的原始优先级，数值越小表示优先级越高。
NI ：nice 值，用于调整进程的优先级。计算新的优先级公式为 PRI(new) = PRI(old) + NI。
nice 值的范围：从 -20 到 19，共 40 个级别。正值表示降低进程优先级，负值表示提高进程优先级。

注意：nice 值不是进程的优先级，而是进程优先级允许调整的范围。可以将其视为对原始优先级的一个修正。通过调整 nice 值，可以控制进程的相对优先级，从而影响 CPU 资源的分配。

最终，操作系统根据PRI(new)的值，按从小到大的优先级执行。

操作：在bash中通过pid调整特定进程优先级

使用 top********命令可以动态查看进程优先级。
按 r********键来调整指定pid进程的 nice 值。

6、环境变量：操作系统的隐秘力量

引入：我们知道，在 Linux 系统中，确实"一切皆文件 "，命令的本质是一个可执行程序（大部分是c语言编译而来的可执行程序），命令名其实就是文件名，命令可以不需要完整路径就能执行 。例如：只需要输入ls命令就可以执行对应的程序，获取目录内的文件。但是，为什么我们自己写的程序必须要带完整的文件路径才可以执行（./main），而命令程序只需要文件名即可？ 这背后的原理涉及到 Linux 的文件系统和环境变量 ，尤其是 PATH 环境变量。

基本概念

环境变量为操作系统、系统上的应用程序和用户shell提供了一个传递配置信息的方法。它们可以告诉系统在哪里找到所需的文件，如何配置特定的程序，或者在shell中定义别名等。

常见环境变量

PATH ：定义了操作系统搜索可执行文件的目录顺序。例如，当你在终端输入一个命令时，系统会在PATH变量指定的目录中查找这个命令，发现相应文件就可以直接执行(相当于自动补全文件路径)。当我们把我们自己写的代码目录放入PATH环境变量之后，也能向命令一样只需要输入文件名即可执行。(相关的修改操作后半部分介绍~)

HOME：指向用户的主目录。当你登录系统时，这是你的默认工作目录。
SHELL ：表示当前用户使用的shell类型，通常的值是/bin/bash。

查看和设置环境变量

查看环境变量 ：可以使用echo $NAME命令来打印特定的环境变量值，其中NAME是环境变量的名称。
设置环境变量 ：
- 使用export命令创建或修改环境变量，如export PATH=$PATH:/new/directory/path。
- 使用env命令可以查看所有当前的环境变量。
清除环境变量 ：使用unset命令可以删除一个环境变量。
显示所有本地变量 ：使用set命令可以显示当前shell会话中定义的所有本地变量和环境变量。

📌

echo: 显示某个环境变量值

export: 设置一个新的环境变量

env: 显示所有环境变量

unset: 清除环境变量

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

程序在运行时，main函数第三个参数(也是最后一个参数)会被转入一张环境变量表

示例1：通过main函数参数获取

cpp 复制代码

#include<stdio.h>
int main(int argc, char* argv, char** env)
{
    int i = 0;
    while(env[i])
    {
        printf("env[%d]->%s\n",i,env[i]);
        i++;
    }

    return 0;
}

示例2：通过extern变量获取

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
     extern char **environ;
     int i = 0;
     for(; environ[i]; i++)
     {
         printf("env[%d]->%s\n", i, environ[i]);
     }
     return 0;
}

示例3：通过getenv()和putenv()接口操作单个环境变量

getenv 和 putenv 是两种用于处理环境变量的函数，它们分别用于获取和设置环境变量的值。下面是对这两个函数的介绍，包括它们所属的头文件、函数原型、参数、返回值以及一些使用示例。

getenv

头文件 ：#include <stdlib.h>
函数原型：

cpp 复制代码

char *getenv(const char *name);

参数：
- name：一个指向以 null 结尾的字符串的指针，指定要查询的环境变量名称。
返回值 ：
- 如果环境变量存在，返回指向该环境变量值的指针。
- 如果环境变量不存在，返回 NULL。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    const char *homeDir = getenv("HOME");
    if (homeDir != NULL) {
        printf("The HOME environment variable is set to: %s\n", homeDir);
    } else {
        printf("The HOME environment variable is not set.\n");
    }
    return 0;
}

putenv

头文件 ：#include <stdlib.h>（在某些系统上可能需要 #include <unistd.h>）
函数原型：

cpp 复制代码

int putenv(char *string);

参数：
- string：一个指向以 null 结尾的字符串的指针，该字符串应该包含环境变量的名称和值，格式为 name=value。
返回值 ：
- 成功时返回 0。
- 失败时返回非零值。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    // 设置环境变量
    const char *envVar = "MY_VAR=value";
    if (putenv((char *)envVar) == 0) {
        printf("Environment variable set successfully.\n");
    } else {
        perror("Failed to set environment variable");
    }

    // 验证设置是否成功
    const char *value = getenv("MY_VAR");
    if (value != NULL) {
        printf("MY_VAR is now set to: %s\n", value);
    } else {
        printf("MY_VAR is not set.\n");
    }

    return 0;
}

使用 putenv 时，传入的字符串 string 必须以 name=value 的格式存在，并且 string 指向的内存在函数调用后不应被释放或修改，因为 putenv 可能会修改这个字符串。
在多线程环境中，使用 putenv 可能不是线程安全的。在这种情况下，可以考虑使用 setenv 和 unsetenv（如果可用），这些函数提供了线程安全的替代。
环境变量的更改通常只影响当前进程及其子进程，不会影响其他进程或父进程的环境变量。

环境变量和普通变量的区别：环境变量具有全局属性

环境变量具有全局属性，意味着它们可以在操作系统的不同进程之间共享。当一个程序运行时，它通常会从其父进程那里继承环境变量。这种继承机制允许程序访问由操作系统或其它程序设置的配置信息。

当你在命令行中设置一个环境变量，比如使用 export my_env ="lihongyu" 命令，实际上是在当前的shell会话中设置了这个变量。这个变量会立即在当前shell会话中可用，并且所有从这个shell启动的子进程也会继承这个变量。

如果你只设置环境变量而不使用 export 命令，比如 my_env="lihongyu"，那么这个变量只会在当前的shell会话中存在，而不会被子进程继承。这是因为只有通过 export 命令，变量才会被标记为可导出，从而被子进程继承。

cpp 复制代码

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

    return 0;
}

一个简单的实验，发现环境变量的继承和普通变量的区别在于：

作用域：普通变量只在当前shell会话中有效，而环境变量可以跨会话和进程边界。

继承：环境变量可以被子进程继承，而普通变量则不能。

生命周期：普通变量的生命周期仅限于当前shell会话，环境变量则可以持续存在于操作系统中，直到被显式地修改或删除。

Linux | Linux进程万字全解：内核原理、进程状态转换、优先级调度策略与环境变量

1、从计算机组成原理到冯诺依曼架构

计算机系统的组成

冯诺依曼体系

思考：为什么计算机不能直接设计为 输入设备-CPU运算-输出设备 的结构？

2、操作系统(Operator System)

概念

设计OS的目的

描述和组织被管理对象

3、进程

基本概念

进程id和父进程id

进程 ID (PID)：

父进程 ID (PPID)：

C语言利用系统调用接口获取PID、PPID：

进程描述-PCB进程控制块

task_struct内容分类

查看进程

简单的进程监控脚本

在C语言中通过系统调用fork函数创建进程

****fork()****系统调用：

示例1：使用 fork() 创建新进程，并通过返回值区分父子进程

示例2：使用 fork() 创建新进程，并打印相关信息

4、进程状态

进程状态概览

僵尸状态(子进程结束却没被父进程回收)

形成僵尸进程的条件

僵尸进程的危害

示例代码：创建并观察僵尸进程

孤儿状态(父进程结束子进程还在)

孤儿进程的形成：

孤儿进程的处理：

示例：孤儿进程的形成和处理：

5、进程调度与优先级

基本概念

查看系统进程

PRI 和 NI

操作：在bash中通过pid调整特定进程优先级

6、环境变量：操作系统的隐秘力量

基本概念

常见环境变量

查看和设置环境变量

环境变量的组织方式

示例1：通过main函数参数获取

示例2：通过extern变量获取

示例3：通过getenv()和putenv()接口操作单个环境变量

环境变量和普通变量的区别：环境变量具有全局属性

思考：为什么计算机不能直接设计为输入设备-CPU运算-输出设备的结构？

fork()系统调用：

示例1：使用 `fork()` 创建新进程，并通过返回值区分父子进程

示例2：使用 `fork()` 创建新进程，并打印相关信息