【Linux】Linux进程概念

冯诺依曼体系结构

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

截至目前，我们所认识的计算机，都是有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
关于冯诺依曼，必须要注意几点：
这里的存储器指的是内存
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。
一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。
对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录上 qq 开始和某位朋友聊 天开始，数据的流动过程。 从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在 qq 上发送文件呢？

操作系统

概念

任何一个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）

设计OS的目的

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。

定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的"搞管理"的软件。

如何理解"管理"？

管理的例子；

描述被管理对象；

组织被管理对象。

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。

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。

进程

基本概念

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。

程序与进程是什么？程序与进程又有什么区别？

程序（procedure）：不太精确地说，程序就是执行一系列有逻辑、有顺序结构的指令，帮我们达成某个结果。就如我们去餐馆，给服务员说我要牛肉盖浇饭，她执行了做牛肉盖浇饭这么一个程序，最后我们得到了这么一盘牛肉盖浇饭。它需要去执行，不然它就像一本武功秘籍，放在那里等人翻看。

进程（process）：进程是程序在一个数据集合上的一次执行过程，在早期的UNIX、Linux 2.4及更早的版本中，它是系统进行资源分配和调度的独立基本单位。同上一个例子，就如我们去了餐馆，给服务员说我要牛肉盖浇饭，她执行了做牛肉盖浇饭这么一个程序，而里面做饭的是一个进程，做牛肉汤汁的是一个进程，把牛肉汤汁与饭混合在一起的是一个进程，把饭端上桌的是一个进程。它就像是我们在看武功秘籍这么一个过程，然后一个篇章一个篇章地去练。

进程的特性：

**并发：**在一个时间段内，宏观来看有多个程序都在活动，有条不紊的执行（每一瞬间只有一个在执行，只是在一段时间有多个程序都执行过）

**并行：**在每一个瞬间，都有多个程序都在同时执行，这个必须有多个 CPU 才行

而随着程序的发展越做越大，又会继续细分，从而引入了线程的概念，当代多数操作系统、Linux 2.6及更新的版本中，进程本身不是基本运行单位，而是线程的容器。就像上述所说的，每个部门又会细分为各个工作小组（线程），而工作小组需要的资源需要向上级（进程）申请。

线程（thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。因为线程中几乎不包含系统资源，所以执行更快、更有效率。

简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。另外，进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。就如下图所示：

描述进程-PCB

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。

查看进程

进程的信息可以通过/proc系统文件查看

如：要获取PID为1的进程信息，需要查看/proc/1这个文件夹

通过系统调用获取进程标识符

进程id ：PPID

父进程id ：PPID

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;
}

通过系统调用创建进程-fork初识

运行man fork认识fork
fork有两个返回值
父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）

cpp 复制代码

//需要包含的头文件
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

fork()会创建出一个子进程。

fork()函数会返回两个值，返回值是0的话，此时是子进程，返回值不等于0的话，返回的是子进程的id。

fork之后通常要用if进行分流

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");
    }
    else if (ret == 0)
    {
        printf("我是子进程：%d！ret = %d\n", getpid(), ret);
    }
    else
    {
        printf("我是父进程：%d! ret = %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(2);
    return 0;
}

进程状态

Linux内核源代码怎么说

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：

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 */
};

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

bash 复制代码

ps aux / ps axj 命令

僵尸进程（zombie）

僵死状态是一个比较特殊的状态，当进程退出并且父进程(使用wait())没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵尸进程。

僵尸进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直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，但父进程没有读取到子进程状态，子进程进入僵尸状态，就是僵尸进程。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
    }
    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;
}

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。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

孤儿进程

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。

cpp 复制代码

#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){//child
 printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
 sleep(10);
 }else{//parent
 printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
 sleep(3);
 exit(0);
 }
 return 0;
}

进程优先级

CPU分配资源的先后顺序，就是指进程的优先权。

优先权高的进程有优先执行的权力，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，这样以来，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

bash 复制代码

ps -l

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。

查看进程优先级的命令

用top命令更改已经存在进程的nice值：

top
进入 top 后按 "r"--> 输入进程 PID--> 输入 nice 值

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（即用户登录到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

bash 复制代码

echo $NAME    //环境变量名称

测试PATH

1.创建hello.c文件

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("hello world!\n");
    return 0;
}

对比 ./hello 执行和之间 hello 执行
为什么有些指令可以直接执行，不需要带路径，而我们的二进制程序需要带路径才能执行？
将我们的程序所在路径加入环境变量 PATH 当中 , export PATH=$PATH:hello 程序所在路径
对比测试
还有什么方法可以不用带路径，直接就可以运行呢？

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;
}

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;
}

libc 中定义的全局变量 environ 指向环境变量表 ,environ 没有包含在任何头文件中 , 所以在使用时要用 extern 声明。

通过系统调用获取或设置环境变量

putenv

getenv

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 printf("%s\n", getenv("PATH"));
 return 0;
}

进程的状态

虚拟地址空间

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 0;
    }
    else if (id == 0)
    { // child,子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取
        g_val = 100;
        printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    else
    { // parent
        sleep(3);
        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

我们发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！能得出如下结论 :

变量内容不一样 , 所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量
但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
在 Linux 地址下，这种地址叫做虚拟地址
我们在用 C/C++ 语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由 OS 统一管理

OS必须负责将虚拟地址转化成物理地址。

同一个变量，地址相同，其实是虚拟地址相同，内容不同其实是被映射到了
不同的物理地址！