【Linux】进程概念

操作系统：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）。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（函数库，Shell程序等）

什么是进程？

从用户的角度看：进程是程序的一次动态执行过程，正在执行的程序。
从内核的角度看：进程是操作系统分配资源的基本单位
进程有自己的状态和独立的地址空间，进程会被切换，有生命周期，动态运行，有PCB，状态优先级，上下文等。

操作系统怎么管理进程？

　　我们每个人都有自己的信息，学校在开学前得到了我们的信息，将我们的信息存储到数据库中，我们来到学校，都自己的班级，如果需要找人，根据班级和名字就可以找到；
　　
　　进程也是如此，我们把进程的信息放在一个结构体中，称这个结构体为进程控制块(PCB, process control block)， Linux操作系统下的PCB叫做task_struct，这样进程就被描述了，再通过链式存储组织起来。

task_struct的内容分类：

标识符：描述进程的唯一标识符，每个进程的标识符都不同
状态：任务状态，退出代码，退出信号等
优先级：进程会被操作系统调度，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：程序和进程相关的数据的指针，包括其他进程共享的内存块的指针
上下文数据：这是非常重要的，进程执行时处理器的寄存器中的数据，举一个例子：假如有人休学了，学校会将他的档案保留下来，等他回来继续上学时，他的档案还在
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，被进程使用的文件列表
记账信息：时钟数总和，时间限制等等
其他信息

每个进程有自己的状态和独立的地址空间；进程被操作系统所管理，被切换，调度都是通过修改PCB中对应的内容来实现的。

如何查看进程呢？

cd /proc proc目录里的数字就是进程的pid；
使用ps aux | grep test

我们的Linux系统中最多可以有多少进程？cat /proc/sys/kernel/pid_max
这里写图片描述

进程的状态

Linux中进程的状态有7中状态：

运行态（R）：它表明进程要么是在运行中，要么是在运行队列里；
睡眠态（S）：进程在等待时间完成，也叫可中断睡眠，可以被唤醒；
磁盘休眠状态（D）：有时候也叫做不可中断睡眠，进程通常会等待IO的结束；
停止状态（T）：可以通过发送SIGSTOP信号给进程来停止进程，被暂停的进程可以通过发送SIGCONT信号让进程继续运行；
死亡态（X）：这个状态是一个返回状态，不会再任务列表里看到这个状态；
僵尸进程（Z）：当进程退出并且父进程没有读到子进程退出的返回代码时，就会产生僵尸进程。只要子进程退出，父进程还在运行，但是父进程没有读取子进程的退出状态，那么子进程就进入僵尸状态。
- 僵尸进程会以终止状态保持在进程列表中，并且会一直等待父进程读取退出状态码。
- 我们知道进程的退出状态必须被维持下去，因为它要告诉它的父进程，你交给我的任务，我完成的怎么样了，但是父进程一直不读取，那么子进程维护状态也是占资源的，这样，就会造成内存资源的浪费。
- 僵尸进程怎么处理？
  1.子进程退出时向父进程发送SIGCHILD信号，父进程处理SIGCHILD信号。调用wait或waitpid函数，父进程阻塞等待子进程，处理完再继续运行父进程。
  2.强制杀死父进程，则进程变为孤儿进程，被系统回收。
模拟实现僵尸进程：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id == 0)
    {  // child
        printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(0);
    }
    else
    {
        // parent
        printf("parent[%d] is sleeping ...\n", getpid());
        sleep(30);
    }
    return 0;
}

这里写图片描述
7. 孤儿进程：父进程提前退出，子进程后退出，那么子进程就被称之为“孤儿进程”，孤儿进程会被1号进程领养，由init进程回收。

模拟实现孤儿进程：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id == 0)
    {
        printf("I am child, pid is %d\n", getpid());
        sleep(10);
    }
    else
    {// parent
        printf("I am parent, pid is %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

这里写图片描述

进程的优先级

CPU资源分配的先后顺序，就是进程的优先权。优先权高的进程有先执行的权利。
查看系统进程

ps -l 命令：
UID：执行者的身份
PID：进程的代号
PPID：进程的父进程代码
PRI：进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
NI：这个进程的nice值
PRI和NI
1. PRI是进程的优先级，或者说是程序被CPU执行的先后顺序，值越小优先级越高；
2. nice值不是进程的优先级，但是他的变化会影响到进程的优先级变化；它表示的是进程可被执行的优先级的修正数据；
3. PRI(new) = PRI(old) + nice，这样，当nice值为负时，那么程序优先级值会变小，其优先级会变高；
4. 在Linux中，调整进程优先级，就是调整nice值，nice的取值时-20至19。
设置进程的优先级
1. 启动前调整：nice -n nice值执行的程序
2. 调整已存在进程的nice：renice nice值 -p 进程ID
3. 用top命令更改已存在进程的nice：top-->r-->进程ID-->nice值

进程调度的任务

保存处理机的现场信息；
按某种算法选取进程；
把处理机分配给进程。

进程的调度算法：

先来先服务(FCFS)：非抢占式的算法，按照请求CPU的顺序使用CPU；
优缺点：已于理解实现简单，只需要一个队列，相对公平；不利于短进程，不利于I/O繁忙的进程
最短作业优先(SJF)：短进程优先，对预计执行时间短的进程优先分派处理机。
　　优缺点：相比于FCFS，改善了平均周转时间和平均带权周转时间，提高系统吞吐量；对长进程很不利，可能长时间得不到执行，难以准确的预估进程的执行时间，没有考虑到作业的紧急程度。
最高相应比优先(HRRN)：对FCFS和SIJ综合平衡，响应比R定义为：R=(W+T)/T， T为作业预估计需要的执行时间，W为后背状态队列中的等待时间。R最大的的投入执行。
　　优缺点：长时间作业也有机会投入运行；每次调度之前计算响应比，增加系统开销。
时间片轮转算法(RR)：采用剥夺策略，每个进程被分配一个时间段，即进程允许运行的时间。进程以FCFS的方式按时间片轮流使用CPU。
　　优缺点：特点是简单易行，平均响应时间短；不利于紧急作业，时间片的大小对系统性能影响很大，如果选的太小，频繁的执行进程调度和进程上下文的切换，增加系统开销，如果选的太长，RR算法退化为FCFS算法，无法满足段作业和交互式用户需求。
多级反馈队列(multilevel feedback queue)
（1）设置多个就绪队列，进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1；
（2）首先调度优先级高的队列中的进程，若高优先级队列中已经没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程；
（3）对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度；比如Q1队列的时间片为N，那么Q1的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列等待，若Q2的时间片用完后作业还没有完成，一直进入下一级队列，直至完成。
（4）在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新的作业到达，那么在运行完这个时间片后，CPU马上分匹配给新到的作业。
（5）能较好的满足各种类型用户的需要。

其他概念：

竞争性：系统进程数量很多，但是CPU资源只有少量，所以进程之间是有竞争属性的。为了更合理的竞争相关资源，所以进程才有优先级；
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下分别同时运行；
并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间内，多个进程都得以推进，称之为并发。