进程Linux

1.冯诺依曼体系

关于冯诺依曼，必须强调几点:

1.这里的存储器指的是内存

2.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)

3.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。

冯诺依曼就是一个为了性价比而产生的体系

外设备和cpu的运行时间不是一个量级，所以就以一个中间（内存）为中间载体

2.操作系统

操作系统包括两部分：

1.内核(进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理)

2.其他程序(例如函数库，shell程序等等)

设计OS的目的：总的来说，操作系统就是软件层面和硬件层面交互的中间商

对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源

对上，为用户程序(应用程序)提供一个良好的执行环境

3.进程

3.1.进程的概念：

进程=PCB+自己的代码和数据

PCB里面有指向自己代码和数据的指针

基本概念：

描述进程——PCB:

task_struct包含的数据：

3.2.在Linux对进程的操作

1.查看所有的进程： cd /proc

2.代码内部调用查看id

getpid：获取本身的进程（哪个进程调用这个函数，就返回哪个进程的id）

getppid：获取父亲的进程

3.根据执行的文件，查看指定的进程

1.查看所有的进程： ps axj  或者是 top

top：

ps axj：

2.查看正在运行的指定进程

假设此时我设计一个程序是一直在进行运行：

根据PID和程序名都是可以查到指定程序的状态

此时我们三种方式都是可以的：

3.在本身进程中创建一个子进程：fock（）

fock（）：创建的子进程调用的是和父进程相同的一段代码，

fork()函数创建子进程后，子进程会从fork()调用后的下一行代码开始执行

fork（）：创建失败返回-1，子进程调用返回0，父进程调用返回子进程的PID

fork（）函数内部的大致执行逻辑：

3.3.进程的状态

3.3.1.运行&&阻塞&&挂起

进程状态的变化，表现之一，就是要在不同的队列中进行流动。本质都是数据结构的增删查改!

每个进程的task_struct都指向自己的代码数据：

运行：如果此时是运行状态那么所有的运行状态的task_struct就形成一个运行状态的双向链表

阻塞:等待某种设备或者资源就绪键盘，显示器，中网卡，磁盘，摄像头，话筒..（阻塞状态那么所有的运行状态的task_struct就形成一个阻塞状态的双向链表）

挂起：此时因为cpu的内存严重不足，只能将一些进程暂时挂起，释放其内存（挂起状态那么所有的运行状态的task_struct就形成一个挂起状态的双向链表）

3.3.2.不同状态的双向链表

这么多状态的链表的形成：

其实是Node节点内部再有个head结果，不同状态的链表的形成，也只需要靠head进行连接即可

此时虽然我们只有每一个Node节点中的head的地址，但是我们可以靠偏移量来找到PCB的位置，从而访问到Node节点中其他变量的数值

cpu在对这些状态的调度，对其head链表进行增删查改即可

3.3.3.Linux中的进程状态

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I0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。

状态的查看指令：

每个字母代表的含义：

查看进程状态：

R运行状态(running)：

下面的代码就是一直都在进行运行，所以是一个运行的状态

S睡眠状态(sleeping):

因为此时代码中有一个向屏幕输出的操作，所以此时的cpu就会对输出操作进行等待，所以此时大部分是睡眠状态

因为此时代码中有一个等待键盘输入的操作，所以此时的cpu就会对输入操作进行等待，所以此时是睡眠状态

D磁盘休眠状态(Disk sleep)：

S对应的是浅睡眠，D对应的就是一个深度睡眠，S的进程在睡眠的状态下是可以被杀死的，

但是D多了一个特权，就是程序在休眠的状态下是不可以被杀死，内存不可以被cpu回收

t 追踪状态(tracing stop)：

此时我们个运行文件加上调试信息，并打上断点，运行的时候，就会在断点处停下

T停止状态(stopped)：

此时我们的代码一直在向屏幕打印数据，但是此时我们 CTRL+z：由我们人自己进行暂停，在另一个终端显示的就是T状态

3.3.3.1.僵尸状态

在Linux中，所有的进程都是一个进程的子进程，我们创建子进程就是为了完成某种事情，但是子进程完成之后，父进程需要查看子进程完成的情况如何，所以子进程结束后不可以将自己的PCB

信息给释放，要等待父进程结束，此时子进程在等待父进程的这段区间就是被称为僵尸状态

终端的观察情况：

3.3.3.2.孤儿进程

父子进程关系中，如果父进程先退出，子进程要被1号进程领养，这个被领养的进程(子进程)，叫做孤儿进程

3.4.进程优先级

首先我们要先理解下面四个概念：

1.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

2.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

3.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

4.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

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。

总的来说就是谁先运行谁后运行

查看系统进程：

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（默认值为80）

N:代表这个进程的nice值

真实的的进程优先级=PRI（默认）+N；

改变进程的优先级：

1. 进入top 查看优先级

2.输入 r 要更改的进程PRI 回车

3.输入要改的 nice值即可

4.对更改的NI的文件进行查询的时候，就发现PRI变成了 95（默认是80） NI变成了15

优先级极值的问题：

nice范围：【-20,19】；

默认：80；

所以Linux优先级的取值范围是[60,99]

优先级设立不合理，会导致优先级低的进程，长时间得不到CPU资源，进而导致:进程饥饿

所以设置这种范围

3.5.进程的切换

进程的切换从下面三部分进行理解;

1.cpu的运行机制：

2.宏观上进程的切换

3.Linux真实调度算法：O（1）调度算法

3.5.1.cpu的运行机制

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

问题：假设一个死循环进程运行，是否会一直占有cpu，导致后面的进程无法运行

不会，因为有一个时间片的东西，过来时间片，进程就会停止，这就是并发

3.5.2.宏观上进程的切换

现在我们有了cpu运行进程的时候是采用时间片的方式运行，在理解一下寄存器的工作原理

寄存器：寄存器是cpu内部的临时空间,存储的是进程的临时数据

当进程超出了规定的时间片后，进程就会将寄存器中的临时数据取出，到下次的进程再次运行的时候，就可以找到对应的数据，后面的进程直接将自己的数据在寄存器进行覆盖即可

当前进程要把自己的进程硬件上下文数据，保存起来，保存到哪里了呢

保存到进程的task struct 里面==》》TSS:任务状态段

3.5.3.Linux真实调度算法：O（1）调度算法

1.queue[140]

此时优先级分成下面两种：

实时优先级:就是加入实时优先级中的进程是必须完成（0~99(不关心)）

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!)

 x（PRI-NI）-60+（140-40）：就是此时普通优先级储存的位置

其实这个queue就相当于一个hash表，先根据优先级确定存储的位置，每一个位置相当于这个位置优先级的头结点，过了时间片就将其舍弃，遵行先进先出的原则

2.bitmap[5]

bitmap的左右就是为了标记对应的queue数组是否有进程，如果没有bitmap数组，cpu运行的时候只能遍历queue数组一遍，但是此时引入了bitmap数组，我们只要O（1）的时间复杂度，就可以确定进程的位置

一共有32*5个二进制位，但是queue只有140位，所以最后的20位不要了舍弃

3.nr_active：表示queue数组中进程的个数

4.*active和*expired

elem的数组大小为2，第一个是活跃进程，一个是过期进程，他们的作用又是什么？

机制：

其实cpu运行进程只运行活跃进程中的进程，当这个进程过了设置的时间片，就把这个进程从活跃进程中删除，根据对应的优先级插入到过期进程中（这就是为什么   真实的优先级=PRI+NI 的原因），当活跃进程中的进程运行完后，将活跃进程和过期进程，进行交换，再次运行活跃进程即可

4.环境变量

基本概念：

环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数如:我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。

环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性

常见的环境变量：

PATH:指定命令的搜索路径

HOME:指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)

SHELL:当前Shell,它的值通常是/bin/bash。

查看指定的环境变量：

测试PATH:

假设此时我的main.c文件

此时运行它有两种方式：

方式一：./main:指定路径

方式二：将main文件的路径加入到  PATH环境变量中，直接运行main，系统自动在环境变量中的路径下找到相对应的文件，并运行（这就是cd pwd，直接输入命令就可以运行的原因）

和环境变量相关的命令：

echo:显示某个环境变量值

export: 设置一个新的环境变量

env:显示所有环境变量
unset: 清除环境变量
set: 显示本地定义的shell变量和环境变量

环境变量的组织方式：

5.程序地址空间

5.1.虚拟地址空间

观察一个现象：

子进程肯定先跑完，也就是子进程先修改，完成之后，父进程再读取

结果：

结论：用户是拿不到真正的物理地址，我们拿到的是cpu给你的虚拟地址，如何要访问物理内存的话，cpu会管理一个页表，相当一个map一样，可以通过虚拟地址找到真正的地址

5.2.虚拟地址空间的划分

mm_struct里面存储的都是每一个区域的start位置和end位置

struct vm_area_struct {unsigned long vm_start;        // 虚存区起始unsigned long vm_end;          // 虚存区结束struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;  // 前后指针struct rb_node vm_rb;          // 红黑树中的位置unsigned long rb_subtree_gap;struct mm_struct *vm_mm;       // 所属的mm_structpgprot_t vm_page_prot;unsigned long vm_flags;        // 标志位struct {struct rb_node rb;unsigned long rb_subtree_last;} shared;struct list_head anon_vma_chain;struct anon_vma *anon_vma;const struct vm_operations_struct *vm_ops;  // vma对应的实际操作unsigned long vm_pgoff;        // 文件映射偏移量struct file *vm_file;          // 映射的文件void *vm_private_data;         // 私有数据atomic_long_t swap_readahead_info;
#ifndef CONFIG_MMUstruct vm_region *vm_region;   /* NOMMU mapping region */
#endif
#ifdef CONFIG_NUMAstruct mempolicy *vm_policy;   /* NUMA policy for the VMA */
#endifstruct vm_userfaultfd_ctx vm_userfaultfd_ctx;
} __randomize_layout;

创建虚拟地址空间的意义：

1.此时代码和数据在物理空间上就可以随便存储，只有我们的虚拟空间是连续的就可以（无序==》》有序）

2.在地址转换的过程中，可以对你的地址的合法性和操作做出判断，从而保护了物理空间,

页表其实后面还有一列来标明，用户对这块地址的使用权限

3.让进程管理和内存管理进行一定程度的解耦合

像进行进行进程的调度的时候，我只需要改变虚拟地址即可，内存和磁盘进行内存管理的时候，也只是改变物理空间而已