Linux：深入理解进程的概念

进程

基本概念

cpu的分时机制
进程和程序的区别
查看进程
获取进程标示符

进程创建

创建进程-fork

进程优先级

基本概念
查看系统进程
PRI and NI
PRI vs NI
修改进程优先级的命令
其他概念

思考题：

基本概念

进程就是一个运行起来的程序（程序：一系列有序的指令集合）

进程是什么？

进程就是pcb,是操作系统对一个运行中程序的描述，通过这些描述信息，完成对一个程序控制运行调度。
Linux操作系统下的pcb是一个结构体：struct 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的内容分类

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: 决定进程cpu调度优先权的级别— 权级其实就是一个数字
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: 用于指向程序指令数据在内存中的位置。
上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据。

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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、

cpu的分时机制

进程在操作系统中是调度切换运行的，每个进程都有一个cpu时间片（一个进程在cpu上的运行时间段），在cpu上时间片运行完毕后则切换到下一个进程

进程和程序的区别

程序时静态的指令集，存储在文件中
进程是一个程序动态的运行过程，需要被加载在内存当中，需要被cpu处理，切换调度…

查看进程

ps -ef 查看系统下所有进程信息
ps aux 查看系统下所有进程信息(更加详细)

获取进程标示符

pid_t getpid(void) — 返回调用进程的pid — 谁调用就返回谁的pid

进程id(PID)
父进程id(PPID)

在这里插入图片描述

进程创建

进程就是一个pcb，意味着创建一个进程，就是创建一个pcb
pid_t fork(void) — 通过复制调用进程（父进程）创建一个新的进程（子进程）
创建了一个新的pcb，然后从父进程pcb中复制了很多数据过来（复制的信息：内存指针，程序计数器，上下文数据…)
- 内存指针：子进程与父进程运行的代码其实是一样的—指向同一块物理内存中的数据以及指令
- 程序计数器/上下文数据：自己成被创建出来后，运行位置与父进程是完全一样的，下一步即将执行的指令都是从创建子进程成功之后开始的，创建一个子进程出来，跟父进程干的事情是一样的，因为他们的运行的代码和数据以及当前的运行位置都是一样的。

父子进程都是一个pcb,因此都有可能被cpu调度运行，并且谁先运行不一定

创建进程-fork

运行 man fork 认识fork
fork有两个返回值
父子进程代码共享，数据独有(采用写时拷贝)
通常根据fork的返回值进行代码的分流，让父子进程进入不同的执行体完成不同的功能

因为这个函数的返回值对于父子进程是不一样的

错误则返回-1；
在父进程中返回创建的子进程的pid>0
在子进程中返回的是0

示例代码：

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h>

int val =100;
int main() {
    int ret = fork();
    if(ret < 0){
        perror("fork");
		return 1; 
	}
    else if(ret == 0){
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
        val = 1;
        printf("child：val = %d, &val = %p\n",val, &val);
    }
    else{
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
		printf("father：val = %d, &val = %p\n", val, &val);

    }
    sleep(1);
    return 0;
}

代码运行图
在这里插入图片描述

由图能看得出来： 代码共享，数据独有！

进程优先级

基本概念

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linux或者unix系统中，用ps –l命令则会类似输出以下几个内容:
在这里插入图片描述

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下:

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
nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

PRI vs NI

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。
nice值是进程优先级的修正修正数据

修改进程优先级的命令

一开始执行程序就指定nice值：nice

nice -n -5 /usr/local/mysql/bin/mysqld_safe &

功能说明：设置优先权。

语　　法：nice [-n <优先等级>][–help][–version][执行指令]

补充说明：nice指令可以改变程序执行的优先权等级。

参　　数：

-n<优先等级>或-<优先等级>或–adjustment=<优先等级> 　设置欲执行的指令的优先权等级。等级的范围从-20-19，其中-20最高，19最低，只有系统管理者可以设置负数的等级。
–help 　在线帮助。
–version 　显示版本信息。

范例一：用root给一个nice值为-5，用于执行vi，并观察该进程。

# nice -n -5 vi &

在这里插入图片描述

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

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

思考题：

操作系统如何实现多个程序的调度运行？

在这里插入图片描述

将这个运行中的程序描述并组织起来，通过实现对pcb的调度管理实现对运行中程序的切换调度运行—对于操作系统来说这个描述信息 - pcb(就是进程)

操作系统与cpu，pcb的链接关系?

操作系统认为现在要运行哪个程序了，则找到对应的pcb，把当前的pcb指向的那个程序的程序计数器中的地址（地址对应着保存各种描述信息），加载到cpu寄存器上。

操作系统调度哪个程序在cpu上运行，操作系统中有一系列的调度算法

cpu多核—多个处理核心 — 每个核心都有自己的寄存器，可以调度一个程序的运行

并发：轮询处理执行（单核cpu）
并行：同时运行/执行(多核cpu)

为什么要有优先级：

交互式程序：直接与用户进行交互的进程 — 要求最好能够更加优先的被cpu处理
批处理程序：在后台默默做循环工作的进程

优先级的作用：让操作系统运行的更加良好

如有不同见解，欢迎留言讨论～～