Linux基础-进程的超详细讲解(3)_进程的状态与调度

* 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

（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

进程状态查看

cpp 复制代码

ps aux / ps axj 命令

假如我们有如下代码:

cpp 复制代码

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

int main()
{
    int cnt = 0;
    while(cnt<10)
    {
        sleep(2);
        //scanf("%d", &cnt);
        printf("hello world, cnt : %d\n", cnt++);
    }

    return 11;
}

使用以下命令对进程进行监控:

cpp 复制代码

watch -n 1 "ps aux | grep your_process_name"

这里的S+表示该进程处于可中断睡眠状态, +表示该进程在前台运行

进程状态图解

只要进程在运行队列中, 该进程就叫运行状态, -> 我已经准备好了, 可以被CPU调度了

进程的阻塞: 阻塞是指一个进程由于等待某些资源或条件而无法继续执行. 进程会主动进入阻塞状态, 并由操作系统调度器进行管理.

运行和阻塞的本质 : 是让不同的进程, 处在不同的队列中!

进程的挂起 : 挂起是操作系统为了某种管理目的, 将一个进程从执行中移除, 通常是为了节省资源或进行某些调度决策. 挂起的原因和阻塞有所不同, 挂起的进程通常不会因为等待某些条件而被挂起, 而是操作系统主动暂停其执行. (比如内存资源严重不足的时候)

补充知识:

并行和并发

CPU执行进程代码, 不是把进程执行完毕, 才开始执行下一个, 而是给每一个进程预分配一个时间片, 基于时间片, 进行调度轮转

并发: 多个进程在一个CPU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

并行: 多个进程在多个CPU下分别同时进行运行, 这称之为并行

时间片: 时间片是指操作系统为每个进程或线程分配的时间段，在这个时间段内，该进程或线程可以使用CPU资源来执行其任务。时间片的大小通常是固定的，可以根据系统的需求进行调整。
进程具有独立性
等待的本质: 连入目标外部设备, CPU不调度!

2. 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）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

僵尸进程举例

如下面的代码:

cpp 复制代码

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

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

这里子进程在运行5秒后进入终止状态, 此时父进程仍在睡眠, 则子进程进入僵尸状态, 知道父进程调用wait来回收子进程的状态.

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

3. 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。

孤儿进程举例:

cpp 复制代码

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

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if (id == 0)
    { // child
        printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
        sleep(30);
    }
    else
    { // parent
        printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
        sleep(10);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

因为孤儿进程时间太短, 这里没有捕捉到!

总结 :

孤儿进程是指在操作系统中, 父进程已经终止但其子进程仍在运行的进程. 孤儿进程通常由系统自动管理.
孤儿进程是父进程已经终结但子进程仍然运行的情况, 操作系统会自动处理孤儿进程, 通常通过将其收养至init进程, 确保系统资源得到有效管理, 不会造成资源泄露或影响系统~~

4. 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（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

查看系统进程

在linux或者unix系统中，用ps --l命令则会类似输出以下几个内容：

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

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 和 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

那NI呢?就是我们所要说的nice值了，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

PRI vs NI

需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据

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

我们这里洗一个直接不结束的进程:

cpp 复制代码

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

int main()
{
    while(1)
    {
        printf("hello linux!\n");
        printf("code 的pid为 %d\n", getpid());
    }
    return 0;
}

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，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 (这两个在上面已经说到过!)

概念储备:

时间片通俗来讲, 时间片到了, 进程就要被切换
Linux是基于时间片, 进行调度轮转的
一个进程在时间片到了的时候, 并不一定跑完了, 可以在任何地方重新调度切换

5. 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(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)

SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。

查看环境变量方法

echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

和环境变量相关的命令

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

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

cpp 复制代码

#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;
}

argc：表示命令行参数的个数（包括程序名本身）。

argv：是一个指向字符指针的数组，每个元素都是一个命令行参数的字符串。

env：指向环境变量的字符串数组，env是程序的环境变量（这是一个可选的参数，通常在标准的C环境中没有提供，具体取决于编译器和运行环境）。

通过第三方变量environ获取

cpp 复制代码

#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;
}

通过系统调用获取或设置环境变量

cpp 复制代码

#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性的

环境变量通常具有全局属性，可以被子进程继承下去

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    char *env = getenv("MYENV");
    if (env)
    {
        printf("%s\n", env);
    }
    return 0;
}

直接查看，发现没有结果，说明该环境变量根本不存在

导出环境变量 export MYENV="hello world" 再次运行程序，发现结果有了！

说明：环境变量是可以被子进程继承下去的！

6. 进程的切换

切换的基本概念

进程切换 : 是指CPU从一个进程切换到另一个进程的过程, 设计保存当前进程的状态和加载下一个进程的状态.

切换的原因

时间片到期 : 在时间共享系统中，操作系统为每个进程分配一定的时间片。当时间片用完时，操作系统会中断当前进程，切换到另一个进程。
IO操作 : 当进程等待输入/输出（I/O）操作完成时，操作系统会暂停该进程并调度其他进程。
进程优先级 : 高优先级的进程可能会抢占低优先级进程的执行权。
进程终止 : 当一个进程完成执行时，操作系统会调度其他进程继续执行。

切换的过程

保存当前进程状态

保存当前进程的上下文(CPU寄存器, 程序计数器等) 到其PCB (进程控制块)

选择下一个进程

根据调度算法选择下一个要运行的进程(如先来服务, 最短作业优先)

3, 加载进程状态:

从新进程的PCB中加载其上下文, 回复其执行状态

更新进程调度信息:

更新系统的进程表, 以反映当前进程的进程信息

切换进程

恢复CPU控制权给新进程, 继续执行

进程切换图解:

进程切换核心 -> 进程上下文数据的保存和恢复

切走 : 将相关寄存器的内容, 保存起来

切回 : 将历史保存的寄存器的数据, 恢复到寄存器中

所有的进程都要做这个工作!!!

每次切换时, 每次保存完上下文的时候, CPU都是全新的!

PC = 当前地址 + 读进来的指令的长度

7. 进程调度 -- Linux内核2.6O(1)调度算法

一个CPU拥有一个runqueue

如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题

优先级

普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！）

实时优先级：0～99（不关心）

调度器非常均衡的进行进程的调度

CPU调度只会从active队列中选择进程来进行调度

调度有三种情况:

运行退出
不退出, 但是时间片到了
有新的进程产生了

active队列永远都是一个存量进程竞争的情况. 即: active队列进程只会越来越少, 不会增多, 也就是说, 当有新的进程加入, 会先进入过期队列, 保证所有进程能正常进行, 就算你优先级在高, 时间片一到, 直接swap指针, 直接调到过期队列中~~

活动队列

时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列

nr_active: 总共有多少个运行状态的进程

queue[140]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下标就是优先级！

从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？

从0下表开始遍历queue[140]
找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！

bitmap[5]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率 (位图的思想)

过期队列

过期队列和活动队列结构一模一样

过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程

当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算

active指针和expired指针

active指针永远指向活动队列

expired指针永远指向过期队列

可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。

没关系，在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程

总结

在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增加，我们称之为进程调度O(1)算法!