linux操作系统进程的基础概念

目录

1. 冯诺依曼计算机体系结构

2. 操作系统(Operator System)

3. 系统调用和库函数

4.进程

4.1 描述进程-PCB

4.2 组织进程

4.3 查看进程

4.4 通过系统调用获取进程标示符

4.5 通过系统调用创建进程

4.6 进程状态

4.7 僵尸进程

4.7.1 僵尸进程危害

4.8 孤儿进程

4.9 进程优先级

5.其他概念


1. 冯诺依曼计算机体系结构

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

这里的存储器指的是内存
不考虑缓存情况,这里的CPU能且只能对内存进行读写,不能访问外设(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和内存打交道。

2. 操作系统(Operator System)

概念:是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配,以提供给用户和其他软件方便的接口和环境,它是计算机系统中最基本的系统软件。

笼统的理解,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程序等等)

设计OS的目的:

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

3. 系统调用和库函数

在开发角度,操作系统对外会表现为一个整体,但是会暴露自己的部分接口,供上层开发使用,这部分 由操作系统提供的接口,叫做系统调用。

系统调用在使用上,功能比较基础,对用户的要求相对也比较高,所以,有心的开发者可以对部分系统 调用进行适度封装,从而形成库,有了库,就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

4.进程

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。

4.1 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

换而言之,task_struct是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内容包含如下

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[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

4.2 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。

4.3 查看进程

以下命令通过管道grep过滤找到我们自己创建的test进程

4.4 通过系统调用获取进程标示符

进程id(PID)
父进程id(PPID)

4.5 通过系统调用创建进程

运行 man fork 认识fork
fork有两个返回值,子进程返回0,父进程返回子进程pid,创建子进程失败时,父进程返回小于0的值
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)
fork 之后通常要用 if 进行分流 

4.6 进程状态

Linux内核里,进程有时候也叫做任务,下面是进程状态在kernel源代码里的定义

/*
* 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 */
};
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。

4.7 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

4.7.1 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,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

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,就会造成内存资源的浪费

4.8 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,当然由init进程回收。

4.9 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。

 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

nice其取值范围是-20至19,一共40个级别。

PRI=OldPRI(恒定为80)+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。

5.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

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