【Linux复习】:进程概念

进程概念

冯诺依曼

核心
所有硬件都是围绕内存工作的,所有数据必须先加载到内存，CPU 才能访问。
外设:

输入设备：键盘、鼠标、硬盘（负责把数据传给内存）

输出设备：显示器、硬盘（负责从内存拿数据）

内存：临时数据中转站（速度快、断电丢失）

CPU：运算核心（只和内存交互）
IO :输入 / 输出，外设 ↔ 内存 的数据交互
数据流 :外设 → 内存 → CPU → 内存 → 外设
存储分级与IO效率:寄存器 > 缓存 > 内存(瓶颈) > 硬盘（速度递减，容量递增）

操作系统

管理软硬件

提供稳定安全的运行环境

管理

先描述

用结构体（如 task_struct）把资源的属性写清楚
再组织

用链表 / 队列把所有结构体管理起来
例子：管理进程 → 先定义 PCB 结构体 → 用链表串起所有 PCB

库函数与系统调用接口

库函数内部是封装了系统调用接口的

进程概念

原因

当程序运行时，要从硬盘加载到内存当中，操作系统为了更方便的管理每个程序的运行，就要首先描述出每一个进程的相关信息，所以有了进程控制块，而Linux中的PCB就是task_struct

描述信息

内存 mm_struct

** 文件** files_struct

(打开的文件存储在指针数组)struct file * file_arrays[]
上下文数据 CPU 寄存器数据（进程切换时保存 / 恢复）

信号

信号的阻塞位图

sigset_t blocked

信号的处理方法

struct sigaction

进程控制

进程创建

fork

复制

以父进程为模板，为子进程创建PCB，子进程和父进程共享代码 和数据写时拷贝
返回值

父进程返回子进程的pid

子进程返回0

失败返回-1

vfork

共享同一个虚拟地址空间

创建一个进程的流程

1. 找到父进程的PCB对象，malloc一个PCB来存放子进程，用父进程的PCB初始化子进程，子进程的PCB指向父进程的代码和数据，子进程和父进程都加入调度队列开始排队等待调度
2. 当有一方要改变数据时，就会触发写时拷贝

进程终止

终止的几种情况

正常终止，结果正确 ：代码正常执行完毕，正确退出码是0
正常终止，结果不正确 ：代码也正常执行结束了，但是不在合适的地点退出，退出码不为0
异常 ：代码没有正常执行结束，可以使用**echo $?**来查看
exit code：当进程收到信号而退出后，可以父进程可以通过回收资源收到退出码，以查看子进程的退出情况

终止的操作对比

exit和_exit ：

_exit是系统调用，

exit:_exit+刷新缓冲区+关闭文件

main 的 return

return n 等价于 exit (n)

其他return :进程还在跑

进程终止系统的行为

1. 根据被终止进程的标识，操作系统会从它的PCB集合中找到该进程的PCB ，读取该进程的状态
   2. 如果该进程处于执行状态，会立即停止执行 ，并修改状态标识，表示这个进程被终止
   3. 回收进程的资源
   4. 保留pcb 等待父进程回收
   5. 从运行队列中移除

进程等待

原因

防止内存泄漏，子进程退出，父进程不回收(waitpid)，就会导致僵尸状态的出现

僵尸进程：

子进程异常终止，父进程并没有调用wait/waitpid，子进程的进程描述符等资源仍在系统中占用资源，那么此时子进程就变成了僵尸进程Z

进程等待的方式

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

option为0，表示阻塞等待，WNOHANG表示非阻塞等待

status是一个输出型参数，0-7是退出信号，8-15是位图

signal(退出信号)和exit code(位图)

阻塞等待和非阻塞等待

阻塞等待是停在函数调用位置等待，直到回收资源成功

非阻塞等待是，每到接口处就检测，搭配循环使用，可以做其他事

进程状态

创建，就绪，运行，阻塞，终止状态

每一种状态就是宏定义

状态变换本质就是修改宏的值，放入不同的队列

就绪状态

当进程的时间片用完之后，就会从CPU上剥离下来，此时会保存寄存器的代码和数据，存储到PCB当中，紧接着把进程的PCB加入到就绪队列当中，等待下一次调度运行

挂起状态

当进程在阻塞状态时，如果内存资源不足 ，会暂时把阻塞进程的代码和数据置换到磁盘的swap分区中 ，当进程被调度的时候再把数据加载进来
转换流程

僵尸进程

产生原因

子进程终止，父进程不回收子进程资源
危害

子进程的数据没有被回收，就会内存泄漏
避免

1. 进程等待
   主动调用接口，waitpid进行阻塞或非阻塞等待

2. SIGCHLD
   子进程结束后，会向父进程发送一个信号，父进程可以对于该信号进行自定义设置方案，即可处理

   signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

父进程忽略 SIGCHLD

内核就会自动回收子进程，不再留僵尸

父进程不用写任何 wait /waitpid

孤儿进程

产生原因

子进程未终止，父进程先终止了
处理

这是无害的，bash(init 进程（pid=1）)会领养孤儿进程，由bash进程进行回收资源

守护进程

1. 后台运行
   不接受任何终端的输入,关掉终端也不退出

2. 脱离控制
   自己创建一个会话，成为会话组长进行管理自己

3. 独立生命周期
   用孤儿进程的方式由bash领养，避免父进程影响

4. 总结
   连续2次fork进行变成孤儿进程，再自己创建一个会话管理自己

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

   void daemonize() {
   // 1. 第一次 fork，父进程退出
   if (fork() != 0)
   exit(0);

    // 2. 子进程创建新会话，脱离终端
    setsid();
   
    // 3. 第二次 fork，防止重新打开终端
    if (fork() != 0)
        exit(0);
   
    // 4. 忽略子进程退出信号，避免僵尸
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
   
    // 5. 重定向标准输入输出到空设备
    int fd = open("/dev/null", O_RDWR);
    dup2(fd, 0);
    dup2(fd, 1);
    dup2(fd, 2);
    close(fd);

   }

   int main() {
   // 变成守护进程
   daemonize();

    // 后台死循环运行
    while (1) {
        sleep(1);
    }
   
    return 0;

   }

环境变量

概念

用来指定操作系统运行环境的一些参数

指明动静态库的位置
PATH

指定命令的搜索途径
HOME

指定用户的主工作目录
SHELL

当前shell，一般是bash

相关命令

echo $PATH -- 查看环境变量

export 变量名=val --新增一个环境变量

env 显示所有环境变量

unset 变量名;清除环境变量

set 显示所有变量（包括本地变量 + 环境变量）
特性

1. main函数参数的第三个参数

   int main(int argc, char* argv[], char* envp[])

2. 环境变量信息是以脚本配置文件形式存在的
   每次登陆从 ./bash_profile 当中读取内容创建表

3. 本地变量不能被子进程继承，环境变量可以
   4.环境表本质上是一个字符指针数组,以NULL结尾

命令

常规命令

fork子进程让子进程执行该命令
内建命令

shell命令行的函数，直接读取环境变量
代码中获取设置环境变量

*getenv(const char name)

获取环境变量

**setenv(const char name, const char value, int overwrite)

设置 / 修改环境变量

*putenv(char string)

传入 name=value 格式字符串设置环境变量

虚拟地址空间

是什么

就是操作系统内核里的一个结构体：mm_struct

为什么

1. 提高内存利用率
   不用一次性加载全部代码 / 数据
   按需分配、swap 换入换出
   解决内存碎片问题
2. 增加内存访问控制与安全
   不能直接访问物理内存
   通过页表权限控制（只读、可读写、可执行）
   越界访问会触发段错误，保护内核和其他进程
3. 保证进程独立性
   每个进程都以为自己独占内存
   进程之间地址空间完全隔离
   一个进程崩溃不会影响其他进程

怎么做

1. 分段式内存管理
   程序由若干个逻辑分段组成，代码分段，数据分段，栈段，堆段等，不同的段有不同的属性，用分段的形式可以把段分离开
2. 分页式内存管理
   产生连续的内存空间，把整个虚拟地址和物理内存空间划分为固定尺寸的大小，每一页是4KB
   通过页表映射：虚拟页号 → 物理页号
3. 段页式内存管理
   先划分成逻辑意义的段，也就是分段机制
   再把每一个段划分成多个固定大小的页
   由段号，段内页号，页内偏移定位信息

进程替换

1. 是什么？
   进程替换 = 把当前进程的代码和数据全部换掉，换成另一个程序
   不创建新进程
   PID 不变
   只是换程序内容
2. 执行成功会发生什么？
   用新程序的代码段、数据段覆盖当前进程
   原来的代码直接作废
   从新程序的 main 函数开始执行
   不会回到原来的程序！
   成功没有返回值
3. 执行失败
   返回 -1
   继续执行原来的代码

系统调用接口

l → list：参数以列表形式给出（逐个写）

v → vector：参数以数组形式给出

p → path：自动去 PATH 里找命令

e → environment：自己传环境变量

逐个说明

1. execl
   按列表传参
   需要写全路径

   execl("/usr/bin/ls", "ls", "-l", NULL);

2. execlp
   p = 自动找 PATH
   不用写全路径

   execlp("ls", "ls", "-l", NULL);

3. execle
   e = 自己传环境变量

   execle("ls", "ls", "-l", NULL, envp);

4. execv
   v = 用数组传参

   char* argv[] = {"ls", "-l", NULL};
   execv("/usr/bin/ls", argv);

5. execvp
   v + p

   char* argv[] = {"ls", "-l", NULL};
   execvp("ls", argv);

6. execvpe
   v + p + e

   execvpe("ls", argv, envp);

MySQL shell

连接数据库

执行 SQL

管理数据库

mysql -uroot -p