Linux的奇妙冒险——进程PCB第一讲

1.进程的基本概念

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：内存管理，文件管理，进程管理，驱动管理
• 其他程序：函数库，shell程序等
  计算机的一切都要被操作系统管理起来，而重要的理解就是六个字“先描述，在组织”

进程是什么呢

• 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。

通常来说，linux下一切皆文件，当我们调度一个可执行文件时，系统先将其从磁盘中加载出来，进入到内存，分配一系列属性，内存，地址，数据等等，这是我们并不在将这个程序简单定义为程序了，而是称作进程。

2.进程的描述

首先一个操作系统无时无刻不在运行进程，通过

ps aux

可以查看系统正在运行的进程

当进入操作系统后第一个运行的进程就是操作系统内核，操作系统引导程序(BIOS或UEFI)在开机时首先执行,并将控制权转交给操作系统内核，操作系统对于进程管理进行“先描述，后组织”，对每一个进程分开描述，在进行统一管理，每一个进程被使用STRUCT_PCB,进行描述

进程 PCB（Process Control Block）是操作系统用于管理每个进程的一个数据结构。它包含了进程相关的各种信息和状态,操作系统通过这个数据结构来对进程进行调度、控制和管理。

PCB 中主要包含以下信息:

• 进程标识符(PID)：唯一标识每个进程的ID号。

• 程序计数器(PC)：记录进程下一条要执行的指令地址。

• 处理器寄存器：进程执行时使用的各种寄存器的值。

• 进程状态：如就绪、运行、阻塞等。

• 优先级：确定进程的调度优先级。

• 内存管理信息：如页表基址、限制等。

• 资源清单：进程拥有或申请的资源列表。

• I/O状态信息：进程的I/O状态。

• 审计信息：如CPU时间、时间片使用情况等。

操作系统将一个个进程块管理起来，对其进行增删改查，这便是进程管理。

3.查看进程

在linux中，有这样一个文件proc

这些便是系统正在运行的进程，这些数字就是某些进程的进程标识符pid，通过ps指令可以进行查看
ps与grep配合可以查看某些特定进程

ps -aux | head -1 && ps aux | grep mytest | grep -v grep

4.通过系统调用获得pid和ppid

PID唯一标识一个进程,PPID描述了进程的父子关系。
以下程序通过，getpid，getppid,系统调用函数，可以获取到进程id，通过fork可以产生新的子进程

我们可以通过ps查看pid,ppid，可以看到除了12919的父进程为12053，其他都为12919的子进程

5.通过fork()系统调用创建子进程

• 创建新进程: fork()函数用于创建一个新的子进程,该子进程是原进程(即父进程)的副本。新创建的子进程与父进程拥有相同的代码、数据和打开的文件描述符。

• 返回值: fork()函数在父进程中返回子进程的进程ID(PID),在子进程中返回0。这样可以让进程区分它是父进程还是子进程。

• 资源共享: 父进程和子进程共享内存空间、打开的文件等资源,但对资源的修改不会相互影响。两个进程可以独立地执行,并且拥有各自的进程ID。

• 进程切换: 操作系统会在父进程和子进程之间切换执行,根据各自的优先级和系统调度策略进行调度。

• 用途: fork()函数通常用于创建新的并发进程,以实现多任务处理。子进程可以执行不同的任务,增加系统的并行性和可靠性。

每出现一个进程，操作系统都会为其创建pcb,fork()也是这样
子进程在fork()之后会与父进程共用一份代码和数据，如果存在数据被修改的需求时，会使用写时拷贝为子进程单独开一份空间，具体原理在以后虚拟内存和物理内存讲解，这里不过多讲解。

6.进程状态

在 Linux 中,进程可以处于以下几种主要状态:

• Running (运行中)：进程正在使用 CPU 资源执行。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。

• Waiting (等待)：进程正等待某种资源(如 I/O 操作、信号等)而暂时挂起。这个状态又可以进一步分为:

• Interruptible (可中断): 进程可以被信号中断唤醒。

• Uninterruptible (不可中断): 进程等待某些特殊的事件而不能被信号唤醒。

• Stopped (停止)：进程已经停止执行,通常是因为收到了 SIGSTOP、* SIGTSTP 等信号。

• Zombie (僵尸)：进程已经终止,但父进程还没有回收它的资源和状态信息。

• Dead (死亡)：进程已经终止并且资源已经全部释放。

进程状态在linux某版本中是这样定义的

/*
* 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 *task_state_array[] = {
	"R (running)",       /*  0*/
    "S (sleeping)",      /*  1*/
    "D (disk sleep)",    /*  2*/
    "T (stopped)",       /*  4*/
    "T (tracing stop)",  /*  8*/
    "Z (zombie)",        /* 16*/
    "X (dead)"           /* 32*/
};

1.浅度睡眠 S

通过系统命令可以查看进程状态，如程序，当程序运行后进程就进入了可中断睡眠中了

浅度睡眠可以使用kill命令终止

2.深度睡眠 D

不可中断睡眠也叫深度睡眠，Linux 中不可中断睡眠(Disk Sleep)进程状态指的是一种特殊的系统进程状态。这种状态的进程无法被中断或唤醒,除非等待它所依赖的某些资源可用。
不可中断睡眠状态的主要特点包括:

• 无法被信号唤醒

这些进程即使收到中断信号也无法响应,无法被终止或切换到其他状态。

• 依赖某些硬件资源

进程被阻塞在等待某些硬件资源(如磁盘 I/O)的状态中。只有等到这些资源可用,进程才能继续运行。

• 容易引起系统假死

如果大量进程进入不可中断睡眠状态,可能会导致整个系统无法响应,出现假死现象。

• 无法被调度

由于无法被中断,这些进程也无法被正常的进程调度机制调度。

3 暂停状态T

在 Linux 中,进程状态中的暂停状态 (T) 表示进程已被暂停或停止。这通常发生在以下几种情况:

• 进程收到 SIGSTOP 信号: 当进程收到 SIGSTOP 信号时,它会进入暂停状态。这可能是由用户或程序发送的。通常可以使用 kill 命令来发送 SIGSTOP 信号。

• 进程处于调试模式: 当进程被调试器（如 gdb）附加或控制时,它会进入暂停状态,以便调试器检查和控制进程的执行。

• 进程被其父进程暂停: 如果进程的父进程使用 ptrace() 系统调用暂停了子进程,则子进程也会进入暂停状态。这通常发生在调试器控制进程时。

• 进程被 shell 暂停: 在 shell 中运行的进程可以使用 Ctrl+Z 命令被暂停,进入暂停状态。此时可以使用 fg 命令将进程恢复到前台执行。

要恢复处于暂停状态的进程,通常可以使用 kill -SIGCONT 命令将其重新唤醒并继续执行。了解进程状态的暂停状态有助于更好地管理和控制 Linux 系统中的进程。

4.僵尸状态 Z

在 Linux 操作系统中,僵尸状态(Zombie state)指的是一种特殊的进程状态。当一个子进程终止运行时,它会进入僵尸状态。这意味着该进程已经结束执行,但它的父进程还没有收集它的退出状态信息。

进程在终止时会向它的父进程发送一个信号,通知父进程自己已经结束运行。然而,如果父进程没有及时处理这个信号,子进程就会进入僵尸状态。

僵尸进程不会占用系统资源,因为它们已经不再运行了。但是它们会一直保留在进程表中,直到父进程调用 wait() 系统调用来获取子进程的退出状态信息。

如果父进程没有及时处理子进程的退出状态,就会产生大量的僵尸进程,这可能会影响系统的整体性能。

5.死亡状态 X

死亡状态只是进程正常结束后的说法，当一个进程的死亡信息被读取后，该进程所申请的内存资源将会被释放。

7.僵尸进程

当一个子进程结束后，没有父进程读取他的退出信息时，子进程不会退出，将会一直处于僵尸状态，我们称之为僵尸进程。
以下的简单程序，通过父进程通过fork创建了子进程并让子进程先走完代码，父进程未结束，可以模拟子进程进入僵尸状态

僵尸进程危害

• 资源占用:僵尸进程会占用系统资源,如CPU、内存等,从而影响其他正常进程的运行。长时间积累下来会造成系统性能下降。

• 安全隐患:僵尸进程可能被利用进行恶意操作,如黑客攻击、植入后门等,危害系统安全。

• 错误信息:僵尸进程的存在会给系统管理员或监控系统带来错误的信息,影响对系统状态的判断。

• 系统崩溃:在某些情况下,大量僵尸进程的存在可能导致系统崩溃或死机。

8.孤儿进程

孤儿进程是指当一个父进程终止或退出,而它的子进程仍在运行的情况。这种子进程就称为孤儿进程。在这种情况下,子进程会被init进程(系统的第一个进程)收养,作为它的子进程。

孤儿进程的特点有:

• 当父进程终止时,子进程不会终止,而是被init进程接管。

• init进程会等待并处理孤儿进程的退出,以防止它们成为僵尸进程。

• 孤儿进程会继续执行,直到它们自己终止或被杀死。

• 孤儿进程不会受到父进程终止的影响,可以独立执行。
  以下程序可以模拟孤儿进程的产生
  
  通过以下脚本监视进程产生过程

 while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep orphan | grep -v grep;echo "###########################";sleep 1;done

9.进程优先级

由于计算机的cpu资源是有限的，所以对资源分配也极为关键

• 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

1.查看系统进程
在linux或者unix系统中，使用ps -l则会类似输出以下几个内容：

• 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
• NI ：代表这个进程的nice值

所谓的优先级主要指的是 PRI&&NI
PRI是当前运行队列里所使用的优先级，PRI越小优先级越高，若要修改优先级，即要修改NI值，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，nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

2.查看进程的优先级

top

用top命令更改已存在进程的nice：

进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入要修改的NI