Linux系列文章 —— 进程概念(图解PCB、进程的描述、状态、创建、组织、查看详解)

news/2024/3/28 16:56:58/文章来源:https://blog.csdn.net/qq_64589446/article/details/128961140

系列文章目录


文章目录

  • 系列文章目录
  • 前言
  • 一、冯诺依曼体系结构
  • 二、操作系统
  • 三、进程概念
    • 进程概念
    • 描述进程(PCB)
    • 组织进程
    • 查看进程
    • 创建进程(fork)
    • 进程队列
    • 进程状态
      • 运行状态 - R
      • 睡眠状态 - S
      • 停止状态 - T
      • 僵尸进程 - Z
      • 孤儿进程
    • 进程优先级
  • 四、总结


前言

Linux,是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统,是一个基于POSIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想,是一个性能稳定的多用户网络操作系统。博主将全程带领大家学习Linux的相关知识,本系列文章参考《鸟哥的Linux私房菜》推荐大家进行阅读学习。


一、冯诺依曼体系结构

计算机的硬件组件组成:

  1. 输入单元:包括键盘, 鼠标,扫描仪, 写板等
  2. 中央处理器(CPU):含有运算器和控制器等
  3. 输出单元:显示器,打印机等
  4. 存储器: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。

请添加图片描述

二、操作系统

操作系统(OS):任何计算机系统都包含的一个基本的程序集合。
请添加图片描述
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)

操作系统的设计目的:

  • 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

计算机管理硬件(先组织再描述):

  • 描述起来,用struct结构体
  • 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开发。

三、进程概念

进程概念

进程 = 内核数据结构 + 代码 + 数据

  • 进程概念:程序的一个执行实例,正在执行的程序。
  • 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)

进程控制块 PCB(process control block):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。

Linux - PCB:task_struct

  • Linux操作系统中描述进程的结构体(PCB)—— 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。
typedef struct task_struct {//进程所有属性//进程代码地址
} PCD;

task_ struct内容分类

  1. 程序ID(PID、进程句柄):它是唯一的,一个进程都必须对应一个PID。PID一般是整形数字
  2. 特征信息:一般分系统进程、用户进程、或者内核进程等
  3. 进程状态:运行、就绪、阻塞,表示进程现的运行情况
  4. 优先级:表示获得CPU控制权的优先级大小
  5. 通信信息:进程之间的通信关系的反映,由于操作系统会提供通信信道
  6. 现场保护区:保护阻塞的进程用
  7. 资源需求、分配控制信息
  8. 进程实体信息,指明程序路径和名称,进程数据在物理内存还是在交换分区(分页)中
  9. 其他信息:工作单位,工作区,文件信息等

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

方法一

大多数进程信息可以使用topps这些用户级工具来获取

ps axj | head -1 && ps axj | grep "进程名"

请添加图片描述
方法二

进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看

ls /proc

请添加图片描述
方法三

通过系统调用获取进程标示符

  • 进程id(PID)
  • 父进程id(PPID)
#include <iostream> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h>using namespace std;int main() {printf("我的进程ID:%d\n", getpid());printf("我的父进程ID:%d\n", getppid());return 0; 
}

请添加图片描述

创建进程(fork)

fork函数基本功能
请添加图片描述

#include <iostream>    
#include <unistd.h>    
#include <sys/types.h>    
using namespace std;    int main() {                                                                                                     pid_t ret = fork();    printf("进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());    sleep(1);    return 0;    
} 

此时会发现输出了两次不同的结果

请添加图片描述

通过fork()的返回值进行分流处理

#include <iostream>    
#include <sys/types.h>    
#include <unistd.h>    using namespace std;    int main() {    int ret = fork();    if (ret > 0) {  //father    printf("父进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());    } else if (ret == 0) { //child    printf("子进程ID - id: %5d, pid: %5d, ppid: %5d\n", ret, getpid(), getppid());                           } else {    perror("fork");    return 1;    }    sleep(1);    return 0;    
} 

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进程队列

进程队列数据结构

struct runqueue {PCD *head;//其他属性  
};

操作系统控制图解
请添加图片描述

进程状态

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 */
};
状态意义
R运行状态(running)运行 - 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)浅度睡眠 - 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)深度睡眠 - 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)暂停 - 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。
t追踪停止状态(tracing stop)表示程序正在被追踪(GDB调试时便是该状态)
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。

在这里插入图片描述

运行状态 - R

示例代码

#include <iostream>    using namespace std;    int main() {  while (true) {  int a = 1;                                                                                               a += 1;}            return 0;
} 

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睡眠状态 - S

在访问显示器时绝大多数情况都是在阻塞状态,只有极少情况下是在运行状态,我这里将两种情况都进行了截屏。

示例代码

#include <iostream>    using namespace std;    int main() {    while (true) {    cout << "Runing~" << endl;    }    return 0;    
}

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停止状态 - T

暂停进程 -> 继续运行,可以看到R+变成了R,这是因为程序从前台运行变成了后台运行,并且^C无法终止调程序,需要使用kill命令的-9选项杀死进程。
请添加图片描述

kill -19  	#暂停进程
kill -18	#继续运行
kill -9		#杀死进程

kill指令
请添加图片描述

僵尸进程 - Z

僵尸进程概念

  • 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。

  • 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。

示例代码

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>using namespace std;int main() {pid_t id = fork();if (id < 0) {perror("fork");return 1;} else if (id > 0) {cout << "parent - pid : " << getpid() << endl;sleep(30);} else {cout << "child - pid : " << getpid() << endl;sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}

运行脚本

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep text | grep -v grep; sleep 1; done

请添加图片描述

< defunct >表示失效,此时进程已经死亡,但是没有被回收。将父子进程都终止的时候,操作系统自动回收工作。

僵尸进程的危害

  • 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。如果父进程如果一直不读取,那子进程将一直处于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一直都要维护!
  • 一个父进程创建了很多子进程,就是不回收,将会造成内存资源的浪费!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!

孤儿进程

孤儿进程概念

  • 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,就要由init进程回收。

示例代码

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>using namespace std;int main() {pid_t id = fork();if (id < 0) {perror("fork");return 1;} else if (id == 0) {   //childcout << "child - pid : " << getpid() << endl;sleep(10);} else {                //parentcout << "parent - pid : " << getpid() << endl;sleep(3);exit(0);}return 0;
}

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进程优先级

优先级的必要性:需求量大,资源太少,需要进行分配管理。

  • 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。

优先级的查看

ps -la

请添加图片描述

  • 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,值越小进程的优先级别越高
  • NI :代表这个进程的修正数值nice值,其取值范围是[ -20, 20 )一共40个级别

PRI 与 NI

  • 在Linux下,就是调整进程nice值,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。
  • 进程的nice值不是进程的优先级,但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
  • PRI = PRI(默认) + nice

优先级的修改

top命令更改已存在进程的nice: 输入top -> 按r -> 输入进程PID -> 输入nice值

top

请添加图片描述

r
30613 	# PID的值

请添加图片描述

9	# nice的值

请添加图片描述


四、总结

  1. 了解冯诺依曼的计算机硬件组成
  2. 了解操作系统的基本原理
  3. 进程概念的详解(图解PCB、进程的描述、状态、创建、组织、查看详解)

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