进程基本概念

2021/12/31 7:09:43

本文主要是介绍进程基本概念,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

进程基本概念

  • 冯诺提曼体系
  • 一、操作系统
    • 概念
    • 设计OS的目的
    • 定位
  • 二、进程
    • 概念
    • 描述进程-PCB
    • task_ struct内容分类
    • 组织进程
  • 三、查看进程
    • fork创建子进程
    • 进程状态查看
    • 僵尸进程危害
    • 孤儿进程
  • 四、进程优先级
    • 查看系统进程
    • PRI and NI
    • 查看进程优先级
    • 其他概念
  • 五、环境变量
    • 常见环境变量
    • 查看环境变量
    • 测试PATH
    • 测试HOME
    • 相关命令
    • 组织方式
    • 语言操作环境变量
  • 六、程序地址空间
    • 进程地址空间

冯诺提曼体系

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。
在这里插入图片描述
我们的计算机都是由硬件构成:
输入设备:键盘,鼠标,写字板等
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。
关于冯诺依曼强调几点:
存储器其实指的就是内存。
CPU只能对内存进行读写,不能访问其他的外设设备。
外设想获取数据,也只能从内存中获取。
所以,所有的设备都只能和内存打交道。

此外,越靠近CPU,存储的效率越高,单价就越高,所以他的容量一般就很小。
以为CPU的执行效率比硬件快得多,所以内存和外设设备可以被充当做缓冲区,计算机的运行速度取决于效率低的一方,也就是木桶效应。

一、操作系统

概念

操作系统是一个基本的程序集合,成为操作系统(OS)。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,管理硬件资源
与软件应用程序交互,为用户提供好的环境。

定位

操作系统是一个搞管理的软件

管理的六个字:

先描述再组织。
在这里插入图片描述
操作系统管理的方式是:
先描述:用struct描述出来。
在组织:用链表或者其他高效的数据结构。

二、进程

在描述进程之前,用上面的话说管理进程就是先把它描述出来,再组织

概念

基本概念:一个正在运行的实体,正在执行的程序。
内核概念:担当分配资源的实体(占用内存,CPU时间)。

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。
课本上称之为PCB(process control block),Linux操作系统下的PCB是: task_struct

task_struct是PCB的一种,这种数据结构会被装载到内存中并且包含着内存的信息。

task_ struct内容分类

标示符: 描述本进程的唯一标示符,用来区别其他进程。Pid,PPid。

状态: 任务状态,退出代码,退出信号等。

优先级: 相对于其他进程的优先级。

程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。

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。

上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据[休学例子,要加图CPU,寄存器]。

I/O状态信息: 包括显示的I/O请求,分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表。

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。

其他信息

组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

三、查看进程

第一种方式:进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看
在这里插入图片描述
在这些数字中可找到正在运行进程的进程号。

第二种方式:通过ps aux | grep mybin | grep -v grep查找正在运行的进程
在这里插入图片描述

fork创建子进程

进程id(PID)
父进程id(PPID)
在这里插入图片描述
输出结果:

在这里插入图片描述
从上可以看出fork()之后会再生成一个进程bash是原始进程的父进程,fork之后生成的是子进程。
在这里插入图片描述
fork会有两个返回值,一个是父进程的返回值,返回子进程的pid,还有一个是子进程的返回值0。
这里就有几个问题:
1.如何理解进程创建?

创建进程,系统就多了一组管理进程的数据结构和该进程的代码和数据。
父子进程数据是各自私有的,但代码共用一份,采用写时拷贝,可节省系统的空间。

2.fork为什么会有两个返回值,如何理解呢?

因为fork函数执行有return函数,存在返回值。父进程会执行return,子进程也会执行。

3.fork父子执行顺序和代码和数据复制的问题。

进程数据=代码+数据
父进程创建子进程的时候,代码是共享的,但数据各自私有一份(写时拷贝)

代码是逻辑,一般是不可修改的
而数据可读可写。
当父进程fork创建子进程完毕,剩下的代码谁先运行,这个不确定,由系统调度器决定。

4.为什么父进程返回的是子进程pid,子进程返回的是0。

具体的操作系统实现会有所不同。

进程状态查看

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:

/*
* 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 */
};

进程状态:

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。该状态无法被操作系统杀掉,也是深度睡眠状态。

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。

ps aux 或者 ps axj 命令
在这里插入图片描述
这里就有一个面试题,状态是R的进程他一定在CPU上面跑吗?

这个不一定。
下图为进程在内存中的队列。
在这里插入图片描述
队列有几种不同的状态,分别是运行队列,等待队列,阻塞队列。而处于R状态的进程是要么在运行中,要么在等待队列中。

Z(zombie)-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。

测试代码:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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!造成内存泄漏。

为什么会有僵尸状态?

因为僵尸状态的时候,task_struct会被保留,以便于父进程获得退出原因,然后再将它回收。

Linux中echo $? 会获得最近一个退出进程的退出码。

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”

如果没有进程将它领养,将会造成内存泄漏。

孤儿进程被1号systemd进程领养,要有systemd进程回收。

四、进程优先级

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

在这里插入图片描述
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 and 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

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。
在这里插入图片描述
正常情况下,PRI默认值为80,Nice默认值为20,它的取值范围是[-20,19],一共40个级别。

查看进程优先级

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

因为系统默认的优先级是合理的,除非特殊情况下,进程优先级不修改。

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。

五、环境变量

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。

如何理解环境变量?

当我们执行一个进程的时候,在硬件上,会把该进程的从硬盘上加载到内存;在软件上,操作系统会为他创建一个task_struct。
正常情况下运行一个程序或命令需要带上路径。
在这里插入图片描述
而ls有它的默认查找路径!PATH环境变量当中,

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

echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

测试PATH

导入/usr/bin可直接使用nice进程指令。
在这里插入图片描述
这种不推荐,会污染环境变量。

还有一种将当前路径导入环境变量,这种不污染。
在这里插入图片描述

测试HOME

用root和普通用户,分别执行 echo $HOME ,对比差异
. 执行 cd ~; pwd ,对应 ~ 和 HOME 的关系
在这里插入图片描述

相关命令

  1. echo: 显示某个环境变量值
  2. export: 设置一个新的环境变量
  3. env: 显示所有环境变量
  4. unset: 清除环境变量
  5. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量

组织方式

在这里插入图片描述
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

SHELL

是什么?系统中的某些具有一定全局性质的变量,通常是为了满足某些系统需求。
为什么?系统的全局变量是为了方便用户,开发者,系统进行某种最简单化的查找,定位,确认等等问题。
怎么办?命令行,env,export,PATH,SHELL,HOME。

语言操作环境变量

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

六、程序地址空间

我们写代码以及运行内存如下图所示。
在这里插入图片描述
我们先用一段代码来测试一下:
在这里插入图片描述
运行后地址如下:
在这里插入图片描述
再来段代码感受一下。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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

这里就有一个问题:程序地址空间是内存吗?

实际上,地址空间它不是物理内存。它是虚拟地址。
父子进程访问的数据,被保存到了不同物理内存中。

进程地址空间

在这里插入图片描述
我们的进程所占用的是虚拟内存,虚拟内存先映射到页表上,然后再由页表去映射到物理内存中。

什么是地址空间?为什么?

当我们使用的地址违法时,物理地址无法识别,可能就写坏了别人的空间或数据。



这篇关于进程基本概念的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对大家有所帮助,也希望大家多多支持为之网!


扫一扫关注最新编程教程