IO进程（进程 Process）

什么是进程？

1.概念

**程序：**编译好的可执行文件，存放在磁盘上的指令和数据的有序集合。

由此可见程序是静态的，没有执行的概念。

**进程：**是程序的一次执行的过程，是一个可调度的任务，也是执行一个程序所分配的资源的总称。

由此可见，进程是动态的，包括创建，调度，执行和消亡。

2.特点

（1）系统会为每一个进程分配0-4G的虚拟空间，0-3G是用户空间，3-4G是内核空间（这是所有进程共用的）

（2）CPU调度进程时会给进程分配时间片（很短几毫秒），当时间片用完，CPU就会进行其他进程的调度，实现进程的轮转，从而实现多任务的操作。（没有外界干预的时候，进程调度是CPU随机分配的）

（3）当一个程序开始运行的时候，会从占用一部分用户空间（取决于你的程序），每个程序所搭建的缓存区也是相互独立的，三个不同的进程就会在他们自己的用户空间搭建三个不同的缓存区以供标准IO操作。（所以应用层的缓存区不是只有一个，如果一个进程需要进行标准IO，它就会搭建自己的缓存区来使用）

描述任务执行方式

并行：指同时执行多个任务，通常需要多核或多处理器硬件支持。任务真正同时运行，适用于计算密集型场景。

**串行：**任务按顺序依次执行，前一个任务完成后再开始下一个任务。简单但效率低。

并发： 多个任务交替执行，通过时间片轮转实现"看似同时"（实际还是串行，进程交替快）。适用于I/O密集型场景，单核即可实现。

进程控制块（了解）

进程控制块： 是操作系统用于管理和描述进程状态的核心数据结构。每个进程在创建时都会分配一个唯一的PCB，存储该进程的所有关键信息 。PCB是进程存在的唯一标识，也是操作系统进行进程调度和资源分配的依据。

PCB通常包含以下信息：

1.进程标识信息

进程ID（PID）：唯一标识进程的编号。

父进程ID（PPID）：创建当前进程的父进程标识。

用户标识（UID/GID）：进程所属的用户或组权限信息。

2.进程状态信息

进程状态：如运行（Running）、就绪（Ready）、阻塞（Blocked）等。

程序计数器（PC）：指向下一条待执行的指令地址。

CPU寄存器值：保存进程切换时的上下文（如通用寄存器、栈指针等）。

3.资源管理信息

内存分配：进程的页表、段表或内存界限寄存器信息。

文件描述符表：记录进程打开的文件或I/O设备。

资源使用统计：如CPU时间、内存占用等。

4.调度信息

优先级：进程的调度优先级。

等待时间：进程在就绪队列中的等待时长。

3 进程段

Linux中的进程大致包含三个段：

数据段 ：存放的是全局变量、常数以及动态数据分配的数据空间(如malloc函数取得的空间)等。

正文段： 存放的是程序中的代码

堆栈段 ：存放的是函数的返回地址、函数的参数以及程序中的局部变量（类比内存的栈区）

4 进程分类

交互式进程： 该类进程是由shell控制和运行的。交互进程既可以在前台运行，也可以在后台运行。该类进程经常与用户进行交互，需要等待用户的输入，当接收到用户的输入后，该类进程会立刻响应，典型的交互式进程有：shell命令进程、文本编辑器等

批处理进程： 该类进程不属于某个终端，它被提交到一个队列中以便顺序执行。(目前接触不到)

守护进程： 该类进程在后台运行。它一般在Linux启动时开始执行，系统关闭时才结束。

5.进程状态

查看运行中的进程：ps -aux

查看进程状态种类：man ps

D： uninterruptible sleep (usually IO) 不可中断的睡眠态

R： running or runnable (on run queue) 运行态

S： interruptible sleep (waiting for an event to complete) 可中断的睡眠态

T： stopped by job control signal 暂停态

t： stopped by debugger during the tracing 因为调试而暂停

X： dead (should never be seen) 死亡态

Z： defunct ("zombie") process, terminated but not reaped by its parent 僵尸态

<： high-priority (not nice to other users) 高优先级

N： low-priority (nice to other users) 低优先级

L： has pages locked into memory (for real-time and custom IO) 锁在内存中

s： is a session leader 会话组组长

l： is multi-threaded (using CLONE_THREAD, like NPTL pthreads do)多线程

+： is in the foreground process group 前台进程

**注：**没有+时，默认是后台进程

6.进程状态切换

状态转换：

开始：

进程创建后，进程进入就绪态

就绪态->运行态：

当CPU调度到此进程时进入运行态（调度器给进程分配时间片）

运行态->就绪态：

当时间片用完时，此进程会进入就绪态

被高优先级任务抢占

运行态->阻塞态：

如果此进程正在执行一些IO操作(阻塞操作)会进入阻塞态，

阻塞态->就绪态：

完成IO操作（阻塞结束）后又可进入就绪态，等待CPU的调度

结束：

当进程运行结束即进入结束态。

调度器：

**操作系统调度器：**负责分配CPU时间片给多个进程或线程，常见调度算法包括：

先来先服务（FCFS）：按任务到达顺序执行。

最短作业优先（SJF）：优先执行预计耗时最短的任务。

时间片轮转（RR）：每个任务分配固定时间片，超时后轮换。

多级反馈队列（MLFQ）：结合优先级和时间片的动态调整算法。

**分布式系统调度器：**如Kubernetes的调度器，将Pod分配到合适的节点，考虑资源需求、亲和性等约束。

7 进程相关命令

ps 查看系统中的进程-ax -ef

top动态显示系统中运行的进程

renice 改变正在运行进程的优先级

nice 以指定优先级启动进程

fg 将进程切换到前台执行

bg 将进程切换到后台执行

jobs 查看当前终端后台的进程

kill 给进程发送信号
详细命令可以查看Linux命令和Shell命令（LinuxC语言高级）-CSDN博客

补充：优先级调度

是一种基于任务优先级分配CPU资源的算法，高优先级任务优先执行。

两种类型：

**1.非剥夺式（非抢占式）优先级调度算法。**当一个进程正在处理上运行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在进行的进程继续运行，直到由于其自身原因而主动让出处理机（任务完成或等待事件），才把处理机分配给更为重要或紧迫的进程。

**2.剥夺式（抢占式）优先级调度算法。**当一个进程正在处理机上运行时，若有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，则立即暂停正在运行的进程，将处理机分配给更重要或紧迫的进程。

进程函数接口

1 创建进程 fork()

函数：

pid_t fork(void);

头文件：

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>
**功能：**创建子进程

返回值：

成功：在父进程中：返回子进程的进程号 >0

在子进程中：返回值为0

失败：-1并设置errno
例：

cs 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
	int pid = fork();                //创建一个子进程并且接收子进程PID号
	if(pid < 0){
		perror("child fork err");
		return -1;
	}
	else if(pid == 0){
        //getpid是获取当前进程的PID
		printf("父进程PID：%d 子进程PID：%d\n",getpid(),pid);    
		//while(1);
	}
	else{
		printf("父进程PID：%d 子进程PID：%d\n",getpid(),pid);	
		//while(1);
	}
	return 0;
}

为什么会输出两个结果？if判断不是只执行一条语句吗？
当你运行这个程序的时候会启动一个进程（父进程），执行到fork()函数时会在当前进程中创造了一个子进程并把代码以及数据信息拷贝到子进程，这两个进程只有个别数据例如进程号不一样，此时这两个进程由CPU随机调度。注意!!子进程会得到fork函数返回值然后执行fork之后的代码，fork函数之前的代码不会执行。

特点：

1）子进程几乎拷贝了父进程的全部内容。包括代码、数据、系统数据段中的pc值、栈中的数据、父进程中打开的文件等；但它们的PID、PPID是不同的。

2）父子进程有独立的地址空间，互不影响；当在相应的进程中改变全局变量、静态变量，都互不影响。
3）若父进程先结束，子进程成为孤儿进程，被init进程收养，子进程变成后台进程（R）。

4）若子进程先结束，父进程如果没有及时回收资源，子进程变成僵尸进程（要避免僵尸进程（Z+）产生）

使用kill -9 PID(你要杀死的进程PID)结束进程

思考一下：

以下程序出来的b是什么值：

子进程的b是3，因为子进程继承的是父进程创建子进程前的所有变量，父进程开始运行后改变b值，子进程是不变的，已经继承结束了。

2 回收资源

**僵尸态：**僵尸态通常指计算机系统中进程或线程因异常终止而无法正常回收资源的状态。这类进程虽已停止运行，但仍占用系统资源（如内存、进程表项），导致资源泄漏或系统性能下降。

pid_t wait(int *status);

头文件： #include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

功能：

阻塞父进程 ：父进程暂停执行，直到 任一子进程 终止。

回收子进程资源 ：释放子进程的进程控制块，避免僵尸进程。

获取子进程状态：通过返回值或参数传递子进程的退出状态（正常终止、信号终止等）。

**参数：**status：子进程退出状态，不接受子进程状态设为NULL

**返回值：**成功：回收的子进程的进程号

失败：-1

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

**功能：**回收子进程资源

头文件： #include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

参数：

pid：>0 指定子进程进程号

=-1 任意子进程

=0 等待其组ID等于调用进程的组ID的任一子进程

<-1 等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程

status：子进程退出状态

options：0：阻塞 WNOHANG：非阻塞

**返回值：**正常：结束的子进程的进程号

当使用选项WNOHANG且没有子进程结束时：0

出错：-1

cs 复制代码

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

int main(int argc, const char *argv[])
{
	int pid = fork();
	if(pid < 0){
		perror("fork err");
		return -1;
	}
	else if(pid == 0){
		printf("%d %d\n",getpid(),pid);
		//while(1);
		sleep(5);
	}
	else{
		//int pid1 = wait(NULL);
		//int pid1 = waitpid(-1,NULL,0);		//父进程阻塞，和wait(NULL)作用一样  
		//int pid1 = waitpid(pid,NULL,WNOHANG);	//父进程不阻塞，这里就不等待子进程结束 
		
		int pid1 = 0;
		while(1){			//当使用循环的时候，作用就和阻塞效果一样，直到子进程结束才回退出循环
			pid1 = waitpid(pid,NULL,WNOHANG);
			if(pid1 > 0){	//只有当进程pid结束才会返回大于零的数
				break;
			}
		}
		
		printf("父进程：%d 子进程：%d 回收的子进程：%d\n",getpid(),pid,pid1);
		while(1);
	}
	return 0;
}

3 结束进程

void exit(int status);

头文件：#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

**功能：**结束进程，刷新缓存

exit(0) 表示程序正常退出。

exit(-1) 或其他非零值表示程序异常退出。具体数值可根据需求定义，但非零值通常表示错误。

void _exit(int status);

头文件：#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

**功能：**结束进程，不刷新缓存

**参数：**status是一个整型的参数，可以利用这个参数传递进程结束时的状态。

通常0表示正常结束；

其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束

cs 复制代码

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

int main(int argc, const char *argv[])
{
	int pid = fork();            //创建子进程
	if(pid < 0){                 //容错判断
		perror("fork err");
		exit(-1);                //程序异常退出
	}
	if(pid == 0){                //子进程进入
		printf("%d %d\n",getpid(),pid);
		//exit(0);                 //子进程终止，刷新缓存
        _exit(0);                  //子进程终止，但是不刷新缓存
		while(1);
	}
	if(pid > 0){
		waitpid(pid,NULL,0);
		printf("%d %d\n",getpid(),pid);
	}
	return 0;
}

4 获取进程号

pid_t getpid(void);

头文件： #include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

**功能：**获取当前进程的进程号

pid_t getppid(void);

头文件： #include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

**功能：**获取当前进程的父进程号

之前已经用过了就不做练习了。一定要多敲代码多练，纸上得来终觉浅。