Linux练级宝典-＞Linux进程概念介绍

目录

进程基本概念

 PCB概念

task_struct

tack_struct内容分类

 PID和PPID

fork函数创建子进程

 进程优先级概念

 4个名词

进程地址空间

进程地址空间的意义

内核进程调度队列 

优先级

活动队列

过期队列

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进程基本概念

一个正在执行的程序。担当分配系统资源的实体（CPU时间，内存）。

怎么理解？因为我们的进程就是CPU要计算的东西，内存是存储进程的东西并且唯一和CPU打交道的就是内存。（冯诺依曼体系）

我们知道通常我们的程序都是存在磁盘里的，但是只有内存能和CPU打交道，即计算运行任务。所以我打开一个软件其实就是把磁盘里的程序加载到内存中了，然后内存在继续去和CPU打交道。

 PCB概念

我们知道我们再使用软件时，我们并不是一次只能打开一个软件，而是一次有多个软件是打开的。那内存就有一个，我们这么多进程怎么管理的？

记住6个大字兄弟“先描述，后组织”。描述其实就和面向对象思想类似（C语言中没有面向对象的说法），把一个对象用一个结构体封装起来，需要什么变量就加入什么就是描述了。

组织也很简单：我们为什么要学数据结构，就是为了组织数据的，也可以说是管理数据。假设我们Linux里面用的是链表，那就会是下面这样的。

 这样一来，我们需要用到哪个进程通过查找就能在这个链表中找到了。那我们怎么知道要找的是哪一个PCB，当然里面的变量中，就有唯一标识PCB的变量叫做PID，下面会解释。

task_struct

对于上面的PCB是在所有系统对进程的总称，而task_struct就是Linux中对进程的统称。

tack_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(pc)： 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。
• 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，使用的时钟总和，时间限制，记账号等。
• 其他信息

有两条指令关于进程的查询

1. ps aux ： 这条指令用于查看所有进程信息

2.  ps aux | head -1 && ps aux | grep proc | grep -v grep ：这条指令用于查询单一进程

grep指令就是用来查找指定进程的。

 PID和PPID

PID：process ID，就是表示进程的ID，在双链表中查找某一特定进程使用。

PPID：parent process ID，表示当前PID的爸爸进程，有什么用呢？下面会说。

fork函数创建子进程

fork分叉函数，就和分叉一样，把当前的进程分裂成两个，原进程是分裂出来的进程的父进程。（可以套娃）

 这个分裂的进程，也会被创建出来，所以此时就是两个进程，那代码怎么执行的，当然就是共用一份代码，后面会有进程替换（exec），把子进程的执行逻辑脱离出去执行另一个程序，父进程依旧执行老代码。

 父子进程的使用的变量是相同的，但是如果子进程有更改变量的操作，此时子进程和父进程的变量就不同了（写时拷贝）。

那我们如果想在一份代码中分离父子进程怎么做呢？

if分流父子进程

先说说，fork函数的返回值：0，-1，和大于0的值。

子进程的fork返回值是0，父进程的fork返回值是子进程的PID（大于0的值）。如果是-1则说明fork出错。

所以if分流的做法就是判断fork的返回值。 

 进程优先级概念

什么是进程优先级，首先我们知道，我们假设了PCB的管理是一个链表，那除了按顺序取走进程外，如果有突发事件，或者优先级高的任务，此时就有了进程优先级的概念。

怎么查看进程优先级

 ps -l 指令。

我们可以看到一个PRI和NI值

PRI与NI解释

PRI（priority）代表的就是当前进程的优先级，PRI的值越小优先级越高。

NI （nice），代表修改进程优先级的数值。

所以NI值是正数，进程优先级PRI增大，所以优先级变低，NI值是负数，同理。

NI取值有范围：-19 - 20；PRI的默认值为80；

renice修改进程的nice值

renice 就是更改nice值针对某个特定进程。

用法：renice + nice值 + PID；

 4个名词

竞争性：进程是很多的，一台电脑，通常来说只有一个CPU，所以每个进程都有竞争。

独立性：每个进程的运行，要有独立的空间独立的资源，使得多进程不受干扰。

并行：多个进程在多个CPU下分别同时进行运行。

并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，让我们人为感觉多个进程是同时推进的。

进程地址空间

我们把地址空间看成一把尺子，不同的刻度之间有不同的区域，存储不同的信息。

但记住了进程地址空间，里面的空间是虚拟空间，就是操作系统给进程画的大饼，只是让进程以为自己得到了整个内存空间，实际上是进程用多少，才在物理内存中开辟多少。这样就避免了每次都要预先给进程分配好空间才能运行，而是进程用多少开辟多少，增加效率。

进程地址空间叫什么呢？mm_struct，（memory_struct）。怎么拿到呢？

首先我们知道task_struc是Linux单个进程的描述，这个描述里其实就包含了mm_struct。所以只要找到对应进程的task_struct就能找到对应的mm_struct。

然后刚刚我们不是说进程的地址空间是虚拟的吗？它怎么找到对应的实际的物理内存呢？

如上图，我们在查找时1.先去页表中查找这个数据是否存在（页号），存在就去物理内存中直接拿。2.如果这个数据并不存在，那就说明他还在磁盘中，所以此时就会给这个数据一个页号，然后把磁盘的数据拿到内存，此时再给这个数据一个页号（在内存不足以装下内存时的选择）。3.还有一种情况就是，这个数据还没创建，此时就会先创建然后在建立虚拟内存和物理内存的映射。

我们上面也有说，子进程和父进程最开始使用的都是同一个变量数据，那更改后进行的写时拷贝是什么意思

如上图就是我们重新开辟空间给子进程的变量，此时这个变量归子进程，父进程还是使用原来的变量。节省空间。

为什么不直接给子进程创建额外的空间？

很简单 就是因为有些程序是只有读操作的，此时给子进程在创建是不是就没用了，直接去父里面读就好了。

进程地址空间的意义

1.如果进程直接使用物理空间，每次进程切换，都是要切换整个空间给别人，还要保持自己的变量数据是被保护的，维护难度增加。

2.所以使用虚拟空间，实际就是在你时间片期间用多少就给你多少，并且通过映射的规则，我们在上层就不用担心，不同的进程的数据被修改了，因为这是操作系统进行维护的。

内核进程调度队列 

 CPU中也有一个对应的组织结构。

优先级

我们之前说进程不是有优先级吗？

普通优先级：100-139，之前我们nice值是-20 - 19,40个级别

实时优先级：0 - 99（现在用不到了），所以我们只有关心普通优先级即可。

活动队列

我们可以看到队列的个数就是140代表每个优先级.活动队列指的是，时间片还没结束的进程都按照优先级排列在活动队列中，nr_active代表表示的是当前具体有几个正在运行的进程。

调度过程：

1.遍历140个queue，找到一个非空队列，从0开始遍历！！（优先级）。

2.取出第一个进程开始计算运行，本次调度完成。

3.一直拿出直到这个队列全部解决，然后继续向后遍历。

4.所以看得出我们是一批一批处理的，新来的高优先级，也是要等前面进程处理完，才能运行

因为队列数量固定为140个，所以时间复杂度为o1.

过期队列

过期队列就是时间片到了还没有执行完，此时这个队列用来维护这些没运行完的队列。

结构总体和活动队列一样的。

那我们如果活动队列全都执行完了之后怎么操作？

首先我们要知道有两个指针：active_ptr和expired_ptr。顾名思义就是两个指向两个队列的指针。

当活动队列执行完后，此时active_ptr指向过期队列，过期队列变为活动队列，反之相同。

 所以就完成了一次交换，此时再次重新执行。

也可以看出内存中的数据一般都是等一次执行完后，CPU去内存中继续取新的程序执行。