Linux进程概念及理解
目录
冯诺依曼体系结构
操作系统(Operator System)
概念
设计OS的目的
定位
如何理解 "管理"
总结
系统调用和库函数概念
进程
基本概念
描述进程-PCB
task_struct-PCB的一种
task_ struct内容分类
组织进程
查看进程
通过系统调用获取进程标示符
通过系统调用创建进程-fork初识
进程状态
看看Linux内核源代码怎么说
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 （kill -19）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 （kill -18）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。
Z(zombie)-僵尸进程
僵尸进程危害
进程状态总结
孤儿进程
进程的阻塞、挂起和运行
运行（R）：
阻塞（S，D）
挂起态
进程切换话题
进程优先级
基本概念
查看系统进程
PRI and NI
PRI vs NI
查看进程优先级的命令
用top命令更改已存在进程的nice：
其他概念
冯诺依曼体系结构
我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。
截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成
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
关于冯诺依曼，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。
对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。（如下图所示就是一个简易的流程图）
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
定位
在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件
如何理解 "管理"
我们可以拿银行的例子来进行说明：
比如说一个人进来要存1000块，那他可以直接进入金库把1000块放进去吗，或者他能直接绕过收银柜台使用收银员的电脑进行操作吗？显然这是不可以的，我们的收银员他不信任任何人，但是我们的存钱过程又要能成功，那该怎么办呢？银行就可以设立一个银行窗口来进行操作，客人只需要将钱通过银行窗口给收银员就可以了。那么如果进来的是一个老奶奶呢？老奶奶对业务能力不熟悉那该怎么存钱呢？这个时候银行经理就可以过来帮助大娘进行操作，这样存取钱的过程就能很好的控制。
操作系统也是一样（我用开发人员作为对象来说明），我们程序员能绕过操作系统直接使用硬件吗？或者直接使用驱动程序？那是不可以的，我们的操作系统一样也是不相信任何人，我们只能通过操作系统才能管理到硬件，既然我们开发人员要通过操作系统才能访问硬件，那么操作系统就必然要给我们提供接口，这就是我们的系统调用接口，但是不同的操作系统的系统调用接口也是不一样的，我们开发人员该怎么更方便的使用呢？这个时候在系统调用接口的上层更好用的封装接口就出现了，比如我们的C语言标准库/C++标准库，这样我们就能在不同的操作系统上运行C语言程序，运行C++程序，这就是为什么说我们的C/C++语言是跨平台的语言。这样我们的操作系统就能通过对软硬件资源的管理，让我们的用户拥有一个稳定的，高效的，安全的运行环境。
总结
计算机管理硬件
1. 描述起来，用struct结构体
虽然不同厂商生产出来的硬件不一样，但是这不重要，我们操作系统只关心需要的数据，比如型号，厂商，状态...这些信息大家都是有的我们只需要将这些信息描述好就可以了。
2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构
描述好后，我们再用数据结构将他们管理起来就可以了。
系统调用和库函数概念
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。
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[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
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
我们要查看进程有一种方法是：
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess; sleep 1; done大多数进程信息可以使用top和ps这些用户级工具来获取。
myprocess是我的一个可执行程序，它会打印出当前进程的id和父进程的id。
我们先运行这个程序：
我们一直循环打印这条信息，我们的这个进程就会一直执行，这时候我们来查看一下：
如图所示，我们pid和ppid是一致的。pid指的是我们当前的进程，那这个ppid是谁呢？ppid就是我们的bash命令行解释器。
进程的信息还可以通过 /proc 系统文件夹查看
如：要获取当前PID的进程信息，我们需要查看 /proc/9116 这个文件夹。
通过系统调用获取进程标示符
进程id（PID）
父进程id（PPID）
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #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
我们了解之后就会发现fork函数会给我们提供两个返回值。且父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）。
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #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/types.h> #include <unistd.h> int main() { int ret = fork(); if(ret < 0){ perror("fork"); return 1; } else if(ret == 0){ //child printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret); }else{ //father printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret); } sleep(1); return 0; }让他们各自执行自己的部分。
进程状态
看看Linux内核源代码怎么说
为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在 Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。
下面的状态在kernel源代码里定义：
/* * 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。
while(1) 32 { 33 // sleep(1); 34 // printf("I am a process, pid: %d\n", getpid()); 35 }
我们不需要在循环里运行任何代码就可以达到进程在运行队列的条件。
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））。
while(1) 32 { 33 sleep(1); 34 printf("I am a process, pid: %d\n", getpid()); 35 }
我们只需要在这个程序里运行一个printf函数就可以使进程状态为休眠状态，这是因为我们CPU处理运算的时间远远短于内存与我们的显示器交互的时间，这个时间我们的CPU是有等待过程，所以我们就会看到一个睡眠的状态。至于为什么不是S而是S+呢？我们可以理解为S+表示的是在前台运行的程序，而S是在后台运行的程序。
我们在运行程序时带上&就可以看到效果。
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。
D状态是Linux系统比较特有的一种状态，当内存不足时，我们的Linux操作系统有权利杀掉等待太久的进程来让别的进程继续运行。但这很容易出现问题，我们不能完全将这个进程给杀掉不然它等待的外设返回数据就泄露了，所以将它设置为D来表达状态。（D也被称为不可被杀，不可中断的深度睡眠进程）。
T停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP （kill -19）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 （kill -18）信号让进程继续运行。
如图所示我们的进程就暂停运行了。
这时候我们再将它继续运行就又恢复了。但是我们会发现程序由原先的S+变成了S，说明被你继续启动的这个进程会被放到后台运行。
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。
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
来一个创建僵死进程例子：
pid_t id = fork(); 8 if(id == 0) 9 { 10 //child 11 int cnt = 5; 12 while(cnt--) 13 { 14 printf("I am child, cnt: %d, pid: %d\n",cnt,getpid()); 15 sleep(1); 16 //cnt--; 17 } 18 } 19 else 20 { 21 //parent 22 int cnt = 5; 23 while(cnt) 24 { 25 printf("I am parent, running always! pid: %d\n",getpid()); 26 sleep(1); 27 } 28 }
当我们的子进程结束，父进程又没有回收时就会有这种情况。
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?是的！
如何避免？我们后面会讲
进程状态总结
至此，值得关注的进程状态全部讲解完成，下面来认识另一种进程
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，当然要由init进程回收喽。
代码我们只是把while循环条件给改了一下。
我们会发现孤儿进程同样会被放到后台执行。
进程的阻塞、挂起和运行
运行（R）：
进程在运行队列中，该进程的状态就是R状态。一个进程就算持有CPU也不会一直在CPU内运行，它是基于时间片轮转调度的。我们让多个进程以切换的方式进行调度，在一个时间段内同时运行的方式我们叫它并发。倘若是在任何时刻，同时有多个进程在运行，我们就叫它并行。
阻塞（S，D）
如图所示，当我们的进程如果要访问外设，比如我们的scanf函数，它要等待，它就会将我们的进程信息放入到对应的驱动程序的等待队列中。进程的阻塞与运行状态变化，往往伴随着pcb被放入不同的队列中。入队列的不是什么进程的代码和数据，而是我们的task_struct结构体。所以我们可以看到不只是我们的CPU有运行队列，我们的设备也有等待队列。
挂起态
我们的内存是有限的，如果我们的进程访问设备时间过久，那我们的系统为了其他进程能够运行就要将这些进程重新挂起到swap分区，牺牲他们来让其他进程能够继续运行。等他们的设备数据传送回来，CPU再将他们唤醒。
进程切换话题
我们再来聊聊进程切换话题。
进程在切换，最重要的一件事情是：上下文数据的保护和恢复。
CPU内部的所有寄存器中的临时数据，叫做进程的上下文。
CPU内的寄存器：寄存器本身是硬件，具有数据的存储能力，CPU的寄存器硬件只有一套！！
CPU内部的数据可以有多套，有几个进程，就有几套和该进程对应的上下文数据
寄存器！=寄存器的内容
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：
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，那么该程序的优先级值将变小，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。
可以理解nice值是进程优先级的修正数据
查看进程优先级的命令
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
