Linux进程的概念(上）

吴糖气泡水xxy

1232人浏览 · 2025-04-04 15:49:27

吴糖气泡水xxy · 2025-04-04 15:49:27 发布

Linux中进程的知识较多，也比较的重要所以我们分两次来给大家谈。

这是上篇，属于入门，大家可以仔细看看。

本节重点：

认识冯诺依曼系统

操作系统概念与定位

深入理解进程概念，了解PCB

学习进程状态，学会创建进程，掌握僵尸进程和孤儿进程，及其形成原因和危害

了解进程调度，Linux进程优先级，理解进程竞争性与独立性，理解并行与并发

理解环境变量，熟悉常见环境变量及相关指令, getenv/setenv函数

理解C内存空间分配规律，了解进程内存映像和应用程序区别, 认识地址空间。

选学Linux2.6 kernel，O(1)调度算法架构。

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。如果是在qq上发送文件呢？

我们使用一个小故事来给大家讲讲：

大家可以仔细看看制作不易

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"

管理的例子

描述被管理对象

组织被管理对象

总结

计算机管理硬件

1. 描述起来，用struct结构体

2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

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发。

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！

进程

在认识进程之前大家不免有疑问什么是进程呢？我们拿我们的Windows来说

这就是我们Windows中的进程。

在操作系统中我们可以有多个进程。

我们通过画图来为大家解释一下

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

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
 while(1){
 sleep(1);
 }
 return 0;
}

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;
}

这是我们创建的进程的pid。

通过系统调用创建进程-fork初识

运行 man fork 认识fork

fork有两个返回值

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;
}

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。

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。

进程状态查看

这样写既可以得到头部的进程状态还可以的得到尾部的

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

来一个创建维持30秒的僵死进程例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 pid_t id = fork();
 if(id < 0){
 perror("fork");
 return 1;
}
 else if(id > 0){ //parent
 printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
 sleep(30);
 }else{
 printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
 sleep(5);
 exit(EXIT_SUCCESS);
 }
 return 0;
}

编译并在另一个终端下启动监控

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？后面讲

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，当然要有init进程回收喽

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 pid_t id = fork();
 if(id < 0){
 perror("fork");
 return 1;
 }
 else if(id == 0){//child
 printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
 sleep(10);
 }else{//parent
 printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
 sleep(3);
 exit(0);
 }
 return 0;
}