Linux进程 -fork(初识)，进程状态和进程优先级

目录

一、通过系统调用创建进程-fork

1.fork的介绍

 2.fork的理解

3.fork常规用法

4.fork的三个问题 

5.创建多个子进程 

二、进程状态 

（1）Linux内核源代码

（2）进程的状态 

R运行状态(运行态）

S 睡眠状态（sleeping）和 D 磁盘休眠状态（disk sleep）

T 停止状态（stopped）

Z 僵尸状态（zombie）-- 僵尸进程 

 孤儿进程

三、进程优先级 

（1）基本概念

 （2）查看进程优先级的命令

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一、通过系统调用创建进程-fork

1.fork的介绍

平时创建进程一般是通过 ./myproc 运行某个存储在磁盘上的可执行程序来创建。而我们还可以通过系统调用接口来创建进程。

pid_t是无符号整型。我们先看一段代码。

 1 #include<stdio.h>2 #include <unistd.h>3 int main()4 {5   printf("I am a father: %u\n", getpid());6     fork();7 8     while(1)9     {10         printf("I am a process, pid: %u, ppid: %u\n", getpid(), getppid());11         sleep(1);12     }13 14     return 0;                                                                                      15 }

 pid为31318即为创建的子进程id

当我们查看进程

此时有三个进程：分别为父进程和fork创建的子进程和grep进程

 2.fork的理解

从代码的角度看

父子进程共享用户代码（代码是只读的，不可写），而用户数据各自私有一份（为了不让进程互相干扰），采用写时拷贝技术。

fork 之后子进程会被创建成功，然后父子进程都会继续运行，但谁先运行是不确定的，由系统调度优先级决定。

从内核的角度看 

对于操作系统来说，通过fork后，系统多了一个进程。

具体是，fork后以父进程为模板，操作系统创建新的PCB，把父进程PCB的内容属性拷贝过来，他们共享代码和数据。

3.fork常规用法

我们创建子进程的目的是为了让子进程给我们完成任务，所以 fork 之后通常要用 if 进行分流，让父子进程执行不同的代码，实现一个并行的效果。（比如父进程播放音乐，子进程下载文件）

通过 fork 的两个返回值来进行分流：

• 如果 fork 执行成功，在父进程中返回子进程的 pid，在子进程中返回 0。
• 如果 fork 执行失败，在父进程中返回 -1，不创建子进程，并适当地设置 errno。

#include <stdio.h>  
#include <sys/types.h> // getpid, getppid  
#include <unistd.h>    // getpid, getppid, forkint main()  
{  printf("I'm a father: %u\n", getpid());pid_t ret = fork();if (ret == 0){  // child processwhile (1){printf("child process, pid:%u, ppid:%u\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}else if (ret > 0){// father processwhile (1){printf("father process, pid:%u, ppid:%u\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}else{// failureperror("fork");return 1;}return 0;            
}

  这一份代码为什么会出现父进程和子进程一起循环呢？

这里给大家抛出三个问题

• fork为什么有两个返回值？
• 为什么上述代码中，fork 的返回值 ret 有两个值，既等于 0 又大于 0 呢？fork 之后，父子进程如何做到共享用户代码，如何做到用户数据各自私有的呢？
• 如果 fork 执行成功，为什么在父进程中返回子进程的 pid，在子进程中返回的是 0 呢？

4.fork的三个问题 

（1）两个返回值问题

fork函数一直往下执行

• 在执行到最后ret之前，子进程已经被创建出来了，在上面我们说父进程和子进程的代码是共享的，那么这个return ret是不是一份代码呢？
• 答案肯定是的，那么是代码子进程也会执行return ret。
• 所以这就是为什么有两个返回值

（2）一个变量为什么会存在两个值呢？ 

这个在我们后面讲进程地址空间的时候会给大家介绍，暂时不多做解释。

（3) 为什么在父进程中返回子进程的 pid，在子进程中返回的是 0 呢？

举一个例子，一位父亲有很多孩子，那么该怎么辨别这些孩子呢？这就需要给孩子标识并记住它。而每个孩子只有唯一一个父亲，所以能很好的辨别父亲。

所以在父进程中需要返回子进程的 pid，因为得让父进程知道自己的子进程（儿子）是谁。

而子进程只需要知道自己被创建成功了就行，所以在子进程中返回 0 即可。

5.创建多个子进程 

#include <stdlib.h>68 void runchild()69 {70   int cnt=10;71   while(cnt)72   {73     printf("i am a child:%d,ppid:%d",getpid(),getppid());74     sleep(1);75     cnt--;76   }77 }78 int main()79 {80   int i=0;                                                                                         81   for(i=0;i<5;i++)82   {83     pid_t id=fork();84     if(id==0)85     {86       runchild();87       exit(0);88     }89     sleep(100);90   }91 }

二、进程状态 

进程的状态体现一个进程的生命状态。

（1）Linux内核源代码

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

（2）进程的状态 

R运行状态(运行态）

当我们写一段代码，为什么状态时是S+而不是R呢？

• 因为CPU的运行速度非常快，而进程绝大多数时间都在休眠(sleep（1）），只有极少数的时间在运行 。
• 因为 printf 是往显示器上打印，涉及到 IO，所以效率比较低，该进程需要等待操作系统把数据刷新到显示器中。

那有一个问题了？如果该进程的状态是R，那它一定在CPU上运行吗？

不一定，在CPU上运行一定是R状态，但一个进程状态是R，也有可能在运行队列中。 

 如果想看到R状态，我们只需要写一个while（1）即可。

S 睡眠状态（sleeping）和 D 磁盘休眠状态（disk sleep）

S：休眠状态（sleeping）（也可以叫阻塞状态）

• 表示进程虽然是一种休眠状态，但随时可以接受外部的信号，处理外部的请求，被唤醒。

当键盘还未输入数据时，却在内存中，如图在等待队列中等待，可以叫做阻塞状态，可以随时接受外接的信号，被唤醒。

当在等待队列中，如果操作系统内部的内存资源严重不足时，在保证正常的情况，队列中只存在PCB，把对应的代码和数据返回到外设中，当存在响应的时候，再把代码和数据换入，再放到运行队列中。这种状态叫做挂起状态 

D：磁盘休眠状态（disk sleep）（深度休眠） 

比如：进程 A 想要把一些数据写入磁盘中，因为 IO 需要时间，所以进程 A 需要等待。但因为内存资源不足，在等待期间进程 A 被操作系统 kill 掉了，而此时磁盘因为空间不足，写入这些数据失败了，却不能把情况汇报给进程 A，那这些数据该如何处理呢？很可能导致这些数据被丢失，操作系统 kill 掉进程 A 导致了此次事故的发生。所以诞生了 D 状态，不可以被杀掉，即便是操作系统。只能等待 D 状态自动醒来，或者是关机重启

 S状态和S+状态有什么区别呢？

S+ 状态：表示前台进程。（前台进程一旦运行，bash 就无法进行命令行解释，使用 Ctrl+C 可以终止前台进程）
S 状态：表示后台进程。（后台进程在运行时，bash 可以进行命令行解释，使用 Ctrl+C 无法终止后台进程）

T 停止状态（stopped）

我们可以通过kill命令，让进程进入T状态也就是停止状态，停止运行了。

举个例子：

• 我们给进程发 19 号信号 SIGSTOP，可以让进程进入 T 停止状态。停止运行。

• 我们给进程发 18 号信号 SIGCONT，可以让进程停止 T 停止状态。恢复运行。

Z 僵尸状态（zombie）-- 僵尸进程 

我们先看一段代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>    // exit
#include <sys/types.h> // getpid, getppid  
#include <unistd.h>    // getpid, getppid, fork, sleepint main()
{// 创建5个子进程for (int i = 0; i < 5; i++){pid_t ret = fork();if (ret == 0){// child processprintf("child%d, pid:%u, ppid:%u\n", i, getpid(), getppid());sleep(1);exit(1); // 子进程退出}}getchar(); // getchar()目的是不让父进程退出，则无法回收子进程。return 0;
}

 成功创建了 5 个子进程。但程序会一直卡在这里，不会自己退出。

我们发现五个子进程全部变僵尸进程了(Z状态） 

那什么是僵尸状态呢？

要知道，进程退出，一般不是立马就让操作系统回收进程的所有资源。

因为创建进程的目的，是为了让它完成某个任务和工作。当它退出时，我们得知道它把任务完成的怎么样，所以需要知道这个进程是正常还是异常退出的。

如果进程是正常退出的，那么交给进程的任务有没有正常完成呢？
所以，进程退出时，会自动将自己的退出信息，保存到进程的 PCB 中，供 OS 或者父进程来进行读取。

进程退出但父进程还没有读取，进程此时就处于僵尸状态。
读取成功后，该进程才算是真正的死亡，变成 X 死亡状态。

僵尸状态的概念：

• 僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当子进程退出，并且父进程没有读取到子进程退出时的返回代码时就会产生僵死(尸)进程。（父进程使用系统调用 wait() 让 OS 回收子进程）
• 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，但父进程没有读取到子进程状态，子进程就会进入 Z 状态。

• 父进程通过调用 getchar() 函数来等待用户输入，这样做可以防止父进程过早退出，在大多数情况下，这也意味着父进程不会立即回收结束的子进程资源，因为没有调用 wait / waitpid 函数来等待子进程结束。 
• 虽然父进程通过 getchar() 等待，但这并不是处理僵尸进程（已结束但未被父进程回收的子进程）的正确做法。在实际应用中，父进程应该使用 wait / waitpid 函数来等待子进程结束，并回收它们的资源，以避免僵尸进程的产生。
• 进程处于Z状态，资源会被一直占用，进程相关资源task_struct不能被释放，导致内存泄漏。等后面给大家介绍进程等待能很好的解决内存泄露问题。

 孤儿进程

若子进程先退出，父进程没回收，则子进程为僵尸进程。

若父进程先退出，子进程将被1号进程领养（父进程改为1号进程），子进程称作孤儿进程。

我们能看到，父进程退出后，子进程的父进程变成了1。 

我们能看到1号进程就是我们的操作系统。

三、进程优先级 

优先级 vs 权限，两者有什么区别呢？

• 优先级：在资源有限的前提下，确立多个进程中谁先访问资源，谁后访问资源。
• 权限：决定能不能得到某种资源。

（1）基本概念

在 Linux 或者 Unix 系统中，使用命令 ps -al 查看当前系统进程的信息：

• PRI：优先级，值越小，优先级越大。
• NI：nice，进程优先级的修正数据，范围调整[-20,19]。
• UID：用户的ID名，执行者ID。

• 进程新的优先级：PRI(new) = PRI(old, 默认都是 80) + nice

•  优先级不可能一味的高，也不可能一味的低。因为 OS 的调度器也要考虑公平问题。
• 进程的 nice 值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程的 nice 值会影响到进程的优先级变化。

 （2）查看进程优先级的命令

 通过 top 命令（类似于 Windows 的任务管理器）更改已存在进程的 nice：

• 执行 top 命令后，按 r 键，输入进程的 PID，输入 nice 值。

 

每次输入 nice 值调整进程优先级，都是默认从 PRI = 80 开始调整的。
输入的 nice 值如果超过 [-20, 19] 这个范围，默认是按照最左/最右范围来取的。

为什么每次都要默认从 PRI = 80 开始调整呢？

• 有一个基准值，方便调整。
• 在设计上，实现比较简单。

为什么 nice 值的范围是 [-20, 19] 呢？

是一种可控状态，保证了进程的优先级始终在 [60, 99] 这个范围内，保证了 OS 调度器的公平。但公平并不是平均。根据每个进程的特性尽可能公平的去调度它们，而不是指每个进程的调度时间必须完全一样。 

• 竞争性：系统进程数目众多，而 CPU 的资源很少，甚至只有一个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了更高效的完成任务，更合理的竞争相关资源，便有了优先级。
• 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。（这也是 OS 设计进程的一个原则）
• 并发：多个进程在一个 CPU 下采用进程切换的方式，在同一段时间内，让多个进程都得以推进。（描述的时间段）
• 并行：多个进程在多个 CPU 下同时运行。（描述的是时刻，任何一个时刻，都可能有多个进程在运行）