【玩转Linux】如何快速理解进程概念

冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本电脑，以及不常见的计算机，如服务器，大部分都遵循冯诺依曼体系结构。

截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成的。

输入单元：包括键盘、鼠标、扫描仪、写板等。
中央处理器（CPU）：包含运算器和控制器等。
输出单元：显示器、打印机等。

关于冯诺依曼体系结构，必须强调几点：

• 这里的存储器指的是内存。
• 不考虑缓存情况，这里的CPU只能对内存进行读写，不能直接访问外设（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与内存打交道。

操作系统（Operator System）概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）。笼统地理解，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）。

设计OS的目的是与硬件交互，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。操作系统在整个计算机软硬件架构中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。

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。

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-PCB的一种

在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM（内存）里并且包含着进程的信息。

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。
• 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。
• 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。

查看进程

进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看。

通过系统调用获取进程标示符

进程ID（PID）和父进程ID（PPID）。

#include <stdio.h>
#include <sys>
#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）。

#include <stdio.h>
#include <sys>
#include <unistd.h>
int main(){
    int ret = fork();
    printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    sleep(1);
    return 0;
}

fork之后通常要用if进行分流。

#include <stdio.h>
#include <sys>
#include <unistd.h>
int main(){
    int ret = fork();
    if(ret == 0){
        //子进程
    }else if(ret > 0){
        //父进程
    }else{
        //错误处理
    }
    return 0;
}

进程状态

/** 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

ps aux / ps axj 命令

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，后面讲）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。

来一个创建维持30秒的僵死进程例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    pid_t id = fork();
    if(id > 0){
        //父进程
        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---

进程状态总结

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”。孤儿进程被1号init进程领养，当然要有init进程回收喽。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    pid_t id = fork();
    if(id > 0){
        //父进程
        printf("parent[%d] is exiting...\n", getpid());
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }else{
        //子进程
        printf("child[%d] is sleeping...\n", getpid());
        sleep(30);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    return 0;
}

学习编程就得循序渐进，扎实基础，勿在浮沙筑高台。

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