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【Linux】Linux进程概念（上）

news 2025/9/14 5:13:23

一、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。它们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，都是由一个个硬件组件组成。

  • 输入单元：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，需要强调以下几点：

  • 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）要输入或输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取
  • 总的来说，一切设备都只能直接和内存打交道

二、操作系统（Operator System）

2.1 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）

2.2 设计OS的目的

  • 对下，与硬件交互，管理所有软硬件资源
  • 对上，为用户程序（执行程序）提供一个良好的执行环境

2.3 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

2.4 如何理解“管理”

  • 管理的例子 - 学生，辅导员，校长
  • 描述被管理对象
  • 组织被管理对象

2.5 总结

计算机管理硬件

  1. 描述起来，用struct结构体
  2. 组织起来，用链表或者其他高效的数据结构

2.6 系统调用和库函数的概念

  • 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，被称为系统调用。
  • 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放者进行二次开发。

2.7 承上启下

那在还没有学习进程之前，就问⼤家，操作系统是怎么管理进⾏进程管理的呢？很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来！

三、进程

3.1 基本概念与基本操作

  • 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
  • 当前：进程 = 内核数据结构(task_struct) + 自己的程序代码和数据

3.1.1 描述进程 - PCB

基本概念

  • 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类型，它会被装载到RAM(内存)里并且包含进程的信息

3.1.2 task_struct

内容分类

  • 标识符：描述本进程的唯一标识符，用来区别于其他进程。
  • 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。
  • 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 双链表的形式存储在内核里。

3.1.3 查看进程

1. 进程的信息可以通过 /proc 系统文件查看

如：要获取PID为1的进程信息，需要查看 /proc/1这个文件夹

2. 大多数进程信息同样可以使用 top 和 ps 这些用户级工具来获取

3.1.4 通过系统调用获取进程标识符

  • 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;
}

3.1.5 通过系统调用创建进程 - fork初识

1. 通过执行 man fork 认识fork

fork是Unix/Linux操作系统中的一个系统调用，用于创建当前进程的一个副本（子进程）。子进程与父进程几乎完全相同，包括代码、数据、堆栈等。fork调用后，父子进程从同一位置继续执行，但拥有不同的内存空间（采用写时拷贝）。

2. fork 有两个返回值

  • 父进程中，fork返回子进程的PID（进程ID）。
  • 子进程中，fork返回0。
  • 若fork失败（如系统资源不足），返回-1。
#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之后通常使用 if 分流

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {printf("This is the child process (PID: %d)\n", getpid());} else {printf("This is the parent process (PID: %d, child PID: %d)\n", getpid(), pid);}return 0;
}

3.2 进程状态

3.2.1 Linux内核源代码

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的状态。一个进程可以有以下几个状态（在Linux内核里，进程有时也叫做任务）。

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是在运行队列里。
  • 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可以叫做可中断睡眠（interruptible sleep））。
  • D磁盘休眠状态（Disk sleep）：有时候也叫做不可中断睡眠状态（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，不会在任务列表里看到这个状态。

3.2.2 进程状态查看

px aux / ps ajx 命令

  • a：显示一个终端的所有进程，包括其他用户的进程。
  • x：显示没有控制终端的进程，例如后台运行的守护进程。
  • j：显示进程归属的进程组ID，会话ID，父进程ID，以及与作业控制相关的信息。
  • u：以用户为中心的格式显示进程的信息，提供进程的详细信息，如用户，CPU和内存使用情况等。

3.2.3 Z(zombie) - 僵死进程

  • 僵死状态(Zombie)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）没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死进程。
  • 僵死进程会以终止状态保存在进程表中，并且会一直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，但是父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态。

下面创建一个10s的僵死进程的例子：

#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){ //parentprintf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());sleep(10);}else{printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}

3.2.4 僵尸进程的危害

  • 进程的退出状态必须被维持下去，因为它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。但是父进程一直不读取，子进程就会一直处于Z状态。
  • 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就要一直维护。
  • 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呢？是的，因为数据结构对象本就要占用内存，就像C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置开辟空间。所以会造成内存泄漏
  • 如何避免呢？使用下面讲解的孤儿进程。

3.2.5 孤儿进程

  • 如果父进程提前退出，子进程后面推出，进入Z状态后，那该如何处理呢？
  • 父进程先退出，子进程就被称为“孤儿进程”。
  • 孤儿进程被1号init/systemd进程领养，当然就会由init/systemd进程回收。
#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){ //parentprintf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());}else{printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());sleep(10);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}

3.3 进程优先级

3.3.1 基本概念

  • cpu资源分配的先后顺序，就是进程的优先级（priority）。
  • 优先级高的进程有优先执行的权利，配置进程的优先级对多任务环境的Linux很有用，可以改善系统性能。
  • 还可以把进城运行到指定的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。

3.3.2 查看系统进程

在Linux或者Unix系统中，用ps -l命令可以输出类似以下几个内容：

我们可以从中看到以下几个重要信息：

  • 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，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

3.3.3 PRI 和 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。

3.3.4 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

3.3.5 查看进程优先级的命令

用top命令更改已存在进程的nice值

  • top
  • 进入top后按 “r” -> 输入进程pid -> 输入nice值

注意：

  • 其他调整优先级的命令：nice，renice
  • 系统函数
#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>
int getpriority(int which, int who);
int setpriority(int which, int who, int prio);

3.3.6 补充概念 - 竞争、独立、并行、并发

  • 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

3.4 进程切换

CPU上下⽂切换：其实际含义是任务切换, 或者CPU寄存器切换。当多任务内核决定运⾏另外的任务时, 它保存正在运⾏任务的当前状态, 也就是CPU寄存器中的全部内容。这些内容被保存在任务⾃⼰的堆栈中, ⼊栈⼯作完成后就把下⼀个将要运⾏的任务的当前状况从该任务的栈中重新装⼊CPU寄存器,并开始下⼀个任务的运⾏, 这⼀过程就是context switch。

参考⼀下Linux内核0.11代码

注意：

时间片：当代计算机都是分时操作系统，每个进程都有它适合的时间片（其实就是一个计数器）。时间片到达，进程就被操作系统从CPU剥离下来。

3.5 Linux2.6内核进程O(1)调度队列

上图是Linux2.6内核中进程队列的数据结构，之间关系也已经给⼤家画出来，⽅便⼤家理解

3.5.1 一个cpu拥有一个runqueue

  • 如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题

3.5.2 优先级

  • 普通优先级：100〜139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！）
  • 实时优先级：0〜99（不关⼼）

3.5.3 活动队列

  • 时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列里
  • nr_active：总共有多少个运行状态的进程
  • queue[140]：一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO进行排队调度，所以，数组下标就是优先级
  • 从该结构中选择一个最适合的进程，过程如下：1. 从0下标开始遍历queue[140]；2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列；3. 拿到选中队列中的第一个进程，开始运行，调度完成；4. 遍历queue[140]时间复杂度是常数，但效率还是低了
  • bitmap[5]：一共有140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个比特位来表示队列是否为空，这样便可以大大提高查找效率

3.5.4 过期队列

  • 过期队列和活动队列结构一模一样
  • 过期队列上放置的进程，都是时间片结束的进程
  • 当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列上的进程进行时间片重新计算

3.5.5 active指针和expired指针

  • active指针永远指向活动队列
  • expired指针永远指向过期队列
  • 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期是一直存在的
  • 在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于又具有一批新的活动的进程

3.5.6 总结

  • 在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程的增加而导致时间成本增加，我们称之为进程调度O(1)算法
struct rq {spinlock_t lock;/** nr_running and cpu_load should be in the same cacheline because* remote CPUs use both these fields when doing load calculation.*/unsigned long nr_running;unsigned long raw_weighted_load;
#ifdef CONFIG_SMPunsigned long cpu_load[3];
#endifunsigned long long nr_switches;/** This is part of a global counter where only the total sum* over all CPUs matters. A task can increase this counter on* one CPU and if it got migrated afterwards it may decrease* it on another CPU. Always updated under the runqueue lock:*/unsigned long nr_uninterruptible;unsigned long expired_timestamp;unsigned long long timestamp_last_tick;struct task_struct* curr, * idle;struct mm_struct* prev_mm;struct prio_array* active, * expired, arrays[2];int best_expired_prio;atomic_t nr_iowait;
#ifdef CONFIG_SMPstruct sched_domain* sd;/* For active balancing */int active_balance;int push_cpu;struct task_struct* migration_thread;struct list_head migration_queue;
#endif
#ifdef CONFIG_SCHEDSTATS/* latency stats */struct sched_info rq_sched_info;/* sys_sched_yield() stats */unsigned long yld_exp_empty;unsigned long yld_act_empty;unsigned long yld_both_empty;unsigned long yld_cnt;/* schedule() stats */unsigned long sched_switch;unsigned long sched_cnt;unsigned long sched_goidle;/* try_to_wake_up() stats */unsigned long ttwu_cnt;unsigned long ttwu_local;
#endifstruct lock_class_key rq_lock_key;
};
/*
* These are the runqueue data structures:
*/
struct prio_array {unsigned int nr_active;DECLARE_BITMAP(bitmap, MAX_PRIO + 1); /* include 1 bit for delimiter */struct list_head queue[MAX_PRIO];
};

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