Linux——初识进程

1.冯·诺依曼体系结构

日常生活照我们常见的计算机，如笔记本，还有我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵循冯·诺依曼体系，该体系结构示意图如下：

我们所认识的计算机都是由一个个的硬件组组成：

• 输入单元：包括键盘、鼠标、扫描仪等
• 输出单元：显示器、打印机等
• 中央处理器（CPU）：含义运算器和控制器等

关于冯诺依曼体系，强调：

• 体系中的存储器指内存
• 不考虑缓存情况，这里的CPU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）要输入或输出数据，也只能写入内存或从内存中读取，也就是说，所有设备都只能直接和内存打交道

2.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结构，称为操作系统（OS），其包括：

• 内核（进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理）
• 其他程序（如函数库等）

操作系统存在的意义：

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 为应用程序提供一个良好的执行环境

操作系统的定位：在整个计算机软硬件架构中，操作系统是一款搞管理的软件。

3.初识进程

• 查看进程信息：ls /proc/
  * 每个进程都有自己的PID，要获得自己的PID：getpid() 方法
• 获得父进程的PID：getppid()方法
• Linux下创建一个子进程：fork()方法

使用fork创建一个子进程，它的数据和代码是从父进程那里继承过来的，子进程的PCB大部分内容和父进程一样
父子进程代码共享，数据却各自私有一份（写时拷贝）
返回值问题：fork后，子进程返回0，父进程返回子进程的PID（一个父进程有多个子进程，返回PID才能准确锁定）

4.进程状态

• R运行状态（running）：进程要么在运行要么在等待队列
• S睡眠状态（sleeping）：进程在等待事件完成（可中断睡眠）
• D磁盘休息状态（Disk sleep）：此时进程通常会等待IO的结束（不可中断睡眠）
• T停止状态（stopped）：通过SIGSTOP信号开暂停运行进程，通过SIGCONT继续运行该进程
• X死亡状态（dead）：只是一个返回状态，不会出现在任务列表中
• Z僵尸状态（zombie）：子进程运行终止后,PCB从内存中移除，而他的进程描述符还在，要告知父进程自身状态，这时进程就处于僵尸状态，父进程此时应该调用 wait() 系统调用来获取子进程的退出状态以及其它的信息，在 wait 调用之后，僵尸进程就完全从内存中移除。因此一个僵尸存在于其终止到父进程调用 wait等函数这个时间的间隙，一般很快就消失，但如果编程不合理，父进程从不调用 wait 等系统调用来收集僵尸进程，那么这些进程会一直存在内存中，从而会造成内存泄漏

孤儿进程：父进程如果提前退出，那么子进程就被称为“孤儿进程”，孤儿进程会被1号init进程领养，当然了，init进程会回收它

5.进程优先级

在Linux或者Unix操作系统中，用ps -l命令会类似输出一下内容：

修改进程优先级：
nice：启动进程前指定nice值：nice -n -5 ./test
renice：调整已经存在进程的nice：renice -5 -p 5200 //PID为5200的进程nice设为-5

6.环境变量

环境变量：在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数

• PATH：指定命令的搜索路径
• HOME：指定用户的主工作目录（用户登录Linux系统时默认的目录）
• ISTSIZE：指保存历史命令记录的条数
• SHELL：当前Shell

查看环境变量：echo $NAME //NAME：环境变量名称

7.进程的虚拟地址空间

8.进程的创建与终止

8.1.fork函数：pid_t fork(void);

进程调用fork后，内核做：

• 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
• 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
• 添加子进程到系统程序列表中
• fork返回，开始调度器调度

fork返回值：

• 子进程返回0
• 父进程返回的是子进程PID

fork的写时拷贝：通常，父子进代码共享，父子在不写入时，数据也是共享的，但是当任意一方视图写入时，便以写时拷贝的方式各自一份副本

fork常规用法：

• 一个父进程希望复制自己，使子进程同时执行不同的代码
• 一个进程要执行不同的程序

fork调用失败原因：

• 系统中有太多进程
• 实际用户的进程数超过限制

8.2.进程终止

进程的退出场景：

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果不正确
• 代码异常终止

进程常见退出方法：

• 正常终止（可以通过echo $?查看进程退出码）
  （1）从 main方法返回
  （2）调用exit
  （3）_exit

• _exit函数：void _exit(int status); //status定义了进程终止状态，父进程通过wait来获取该值
• exit函数：void exit(int status);
  exit函数做了如下工作：（1）执行用户通过atexit或on_exit定义的清理函数工作
  （2）关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
  （3）调用_exit

• 异常退出
  ctrl + c,信号终止

8.3.进程等待

进程等待的必要性：

• 子进程退出，如果父进程不管不顾，就可能造成僵尸进程，进程一旦进入僵尸状态那就刀枪不入，杀人不眨眼的“kill -9”也无能为力，毕竟没有谁能够杀掉一个“已经死掉”的进程，那么会进一步造成内存泄漏
• 父进程委派给子进程的任务完成的如何我们也该知道
• 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，并且获得子进程退出信息

进程等待的方法：
（1）wait
（2）waitpid

pid_t wait(int* status);

• 返回值：返回被等待进程的PID，失败返回-1
• 参数：输出型参数，获取进程退出状态，不关心则可以设置为NULL
  pid_t waitpid(pid_t pid,int* status,int options);
• 返回值：（1）当正常返回时waitpid返回收集到的子进程的进程ID
  （2）如果设置了选项WNOHANG，而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集，则返回0
  （3）如果调用中出错则返回-1，这是errno会被设置为相应的值以指示错误的存在
• 参数：（1）pid：pid为-1时等待任意一个子进程，与wait等效；pid > 0时，等待其进程ID等于pid的进程
  （2）status：WIFEXITED，查看进程是否正常退出，正常退出则为真
  WEXITSTATUS，若WIFEXITED非0，提取子进程退出码
  （3）options：WNOHANG，若pid指定的子进程没有结束，则waitpai函数返回0不予以等待，若正常结束返回该子进程的ID

• 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，会立即返回子进程退出信息并释放资源
• 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞
• 如果不存在该子进程，则立即出错返回

获取子进程status

• wait和waitpai方法都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统来填充
• 如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息
• 否则操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息返回给父进程
• status不能简单的当做整型来看，可以当做位图来看待，具体细节如下图: