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【Linux操作系统】进程详解(上)

2023-05-16

文章目录

  • 一、进程的定义
  • 二、进程的特征
  • 三、进程的组成及其作用
  • 四、进程控制块
    • 4.1 进程控制块定义
    • 4.2 task_struct的内容
  • 五、进程与程序的区别
  • 六、进程与线程的区别
  • 七、进程的种类
  • 八、PID
    • 8.1 PID定义
    • 8.2 特殊PID的进程
  • 九、进程的相关命令
    • 9.1 ps命令
    • 9.2 top/htop命令
    • 9.3 pidof命令
    • 9.4 kill命令
  • 十、进程的状态
  • 十一、进程状态切换的实例(前后台切换)
  • 十二、进程的创建
    • 12.1 进程的创建过程(fork)
    • 12.2 使用fork创建进程(不关注返回值）
    • 12.3 使用fork创建进程(关注返回值)
    • 12.4 进程的执行过程
    • 12.5 父子进程内存空间的问题

一、进程的定义

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配的基本单位，是操作系统结构的基础。

简而言之就是程序的一次执行过程。
进程是正在运行的程序的实例，也就是一个正在执行的任务。
进程是有生命周期的，随着程序的运行而创建，随着程序的结束而终止。
进程是分配资源的最小单位，只要创建了一个进程，就分配了[0-3G]的用户空间。
只要用户执行了一个程序，内核就会创建一个task_struct（PCB）结构体，这个结构体就代表当前的进程。
在进程内部维护了自己的一套文件描述符和缓冲区。只要进程执行结束，那么它的所有的资源都会被操作系统回收。
在这里插入图片描述
时间片轮询实现并发
在这里插入图片描述

二、进程的特征

  1. 动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
  2. 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
  3. 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
  4. 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进

多个不同的进程可以包含相同的程序：一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果；但是执行过程中，程序不能发生改变。

三、进程的组成及其作用

进程的组成包含三个部分：进程控制块PCB(task_struct)，数据段，程序段。

进程控制块：使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（包含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。
程序段：是进程中能被进程调度程序在CPU上执行的程序代码段。
数据段：一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行后产生的中间或最终数据。

四、进程控制块

4.1 进程控制块定义

为了描述控制进程的运行，系统中存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块（PCB Process Control Block），它是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录性数据结构。它是进程管理和控制的最重要的数据结构，每一个进程均有一个PCB，在创建进程时，建立PCB，伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消。
PCB的本质是一个结构体，不同的操作系统中PCB的名字不同。Linux中，PCB名为task_struct，PCB 是控制进程的唯一手段。
每一个进程都有一个进程描述符，这个”进程描述符”即是task_struct，在task_struct里面保存了许多关于进程控制的信息。

4.2 task_struct的内容

每个进程都把它的信息放在task_struct这个数据结构里面，而task_struct包含以下内容：

  1. 标示符（pid）：描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
  2. 状态：任务状态，退出代码，退出信号等。
  3. 优先级：相对于其他进程的优先级(数越小，优先级越高)。
  4. 程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
  5. 内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针。
  6. 上下文数据：保存上下文就是把cpu寄存器中的值保存到内存中；恢复上下文就是把内存中的寄存器值恢复到cpu中去；
  7. I/O状态信息：包括显示的I/O请求，分配给进程的I/O设备和正在被进程使用的文件列表。
  8. 记账信息 ：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。
  9. 其他信息

五、进程与程序的区别

  1. 进程是程序的一次执行过程，它是动态的，具备生命周期，在内存上存放。
  2. 程序是静态的，没有生命周期。在磁盘上存放，程序就是可以可执行文件。
  3. 进程更能真实地描述并发，而程序不能。
  4. 进程具有创建其他进程的功能，而程序没有。
  5. 同一程序可以对应多个进程。

六、进程与线程的区别

通常在一个进程中可以包含若干个线程，它们可以利用进程所拥有的资源，在引入线程的操作系统中，通常都是把进程作为分配资源的基本单位，而把线程作为独立运行和独立调度的基本单位，由于线程比进程更小，基本上不拥有系统资源，故对它的调度所付出的开销就会小得多，能更高效的提高系统内多个程序间并发执行的程度。

七、进程的种类

进程的种类有三种分别是交互进程，批处理进程，守护进程

  1. 交互进程：交互进程是由shell维护的，通过shell和用户进行交互。
    例如文本编辑器就是交互进程。
  2. 批处理进程：批处理进程会被放到内核的一个队列中，随着队列的运行而运行，它的优先级相对比较低。
    例如gcc编译程序的过程。
  3. 守护进程：守护进程是后台运行的进程，随着系统的启动而启动，随着系统的终止而终止。
    例如windows上的各种服务。

八、PID

8.1 PID定义

PID是进程的唯一标识(进程号)，它是一个大于等于0的整数。
在一个系统中能够创建的最大的进程可以通过如下命令查看。
cat /proc/sys/kernel/pid_max
通过命令可知能够创建的最大的进程是131072。
在这里插入图片描述
在操作系统上正在运行的进程都在proc目录下
在这里插入图片描述
执行命令
cd 1980
vi status
在这里插入图片描述

8.2 特殊PID的进程

0(idle)：在操作系统启动的时候创建的进程，0号进程是1和2号进程的父进程。如果在操作系统上没有其他的进程执行就执行0号进程。

1(init)：1号进程是在0号进程通过kernel_thread函数创建的来的，它就要是用来
在启动的时候初始化各种硬件，应硬件初始化完之后。init进程用来为孤儿进程回收资源。

2(kthreadd)：2号进程也是在0号进程通过kernel_thread函数创建的来的，这个进程是调度器进程。

九、进程的相关命令

9.1 ps命令

ps -ef命令：查看进程的父子关系
在这里插入图片描述
UID：用户名
PID：进程号
PPID：父进程号
TTY：是否有终端与之关联，如果没有就是?

ps -ajx命令：查看进程状态的命令(静态)。可以完全替代ps -ef
ps -ajx | grep bash指定搜索bash进程
在这里插入图片描述
PPID：父进程号
PID：进程号
SID：只要新开一个终端就会创建一个会话(SID)
PGID：一个会话内有一个前台进程组和多个后台进程组(PGID)，进程组内有多个进程
TTY：是否有终端与之关联，如果没有就是?
TPGID：如果是-1就代表是守护进程
STAT：进程的状态
UID：用户名
TIME：运行的时间
COMMAND：进程名

9.2 top/htop命令

动态查看进程状态的命令
top在这里插入图片描述
htop
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9.3 pidof命令

pidof a.out：查看所有名叫a.out的进程进程号
等价于ps -ajx | grep a.out
在这里插入图片描述

9.4 kill命令

给进程发信号

kill -l：查看操作系统中的信号
在这里插入图片描述
kill -信号号 pid 命令：给系统发信号
kill -2 pid：ctrl+c 结束pid对应的程序
kill -9 pid：杀死pid对应的程序
kill -19 pid：停止pid对应的程序
kill -18 pid：pid对应的进程继续运行
killall 程序名：杀死程序名的进程

十、进程的状态

执行命令man ps
在这里插入图片描述
1.进程的状态

D    不可中断的等待态(信号)
R    运行态
S    可中断的等待态 (信号)
T    停止态
X    死亡态
Z    僵尸态

2.进程的附加状态

<    高优先级的进程
N    低优先级的进程
L    内存锁定
s    会话组的组长
l    进程内包含多线程
+    前台进程

3.特殊状态的进程
孤儿进程：父进程死了之后，子进程就变成了孤儿进程。
僵尸进程：子进程死掉之后，父进程没有为他收尸，此时子进程就是僵尸进程。

在这里插入图片描述

十一、进程状态切换的实例(前后台切换) 

#include <stdio.h>

int main(int argc,const char * argv[])
{
    while(1);
    return 0;
}

执行上面程序使进程保持运行态。

可以看见状态R+，进程前台运行
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ctrl+z相当于kill -19 13690
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变成停止态T
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方式1：kill -18 13690使停止态变成后台运行的状态R
在这里插入图片描述
kill -9 13690杀死程序
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方式2： 从停止态变为后台运行的状态 （直接后台运行 ./a.out &）

通过前两步使其变成停止态
通过jobs -l查看所有停止状态的进程
[1]这个1是作业号
在这里插入图片描述
bg 作业号(1是作业号)：使进程变为后台运行
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fg 作业号(1是作业号)：使进程变为前台运行的进程
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
方式3： 在执行程序的时候使用./a.out &使进程后台运行状态
在这里插入图片描述
注： 后台进程可以向输出信息，但是不要向后台进程输入信息

十二、进程的创建

12.1 进程的创建过程(fork)

进程是通过拷贝父进程得到的。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
       
pid_t fork(void);
功能：创建进程
参数：
    @无
返回值：如果成功，子进程的PID会返回给父进程，子进程收到0。
        失败时，父进程中返回-1，不创建子进程，并置为错误码。

12.2 使用fork创建进程(不关注返回值）

fork一次

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

int main(int argc,const char * argv[])
{
    fork(); //产生子进程
    while(1); //父子进程都在执行这个while循环
    return 0;
}

在这里插入图片描述
循环fork三次

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

int main(int argc,const char * argv[])
{
    for(int i=0;i<3;i++)
    {
        fork();
    }
    while(1);
    return 0;
}

在这里插入图片描述
如果在不关注返回值的情况下，fork n次产生2n个进程

fork子进程的时候会拷贝父进程的缓冲区，多个进程共用一个终端

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

int main(int argc,const char * argv[])
{
    for(int i=0;i<2;i++)
    {
        fork();
        printf("-");
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述
结果分析:
在这里插入图片描述

12.3 使用fork创建进程(关注返回值)

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

int main(int argc,const char * argv[])
{
    pid_t pid;

    pid = fork();
    if(pid == -1){
        PRINT_ERR("fork error");
    }else if(pid == 0){
        printf("这是子进程\n");
    }else{
        printf("这是父进程\n");
    }

    //这里的代码父子进程都会执行
    return 0;
}

12.4 进程的执行过程

进程的执行没有先后顺序，时间片轮询，上下文切换。

12.5 父子进程内存空间的问题

父子进程内存空间是独立的，子进程拷贝父进程的时候遵从写时拷贝。
在这里插入图片描述
哪份被修改了拷贝哪份的，不修改共用一块内存。

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