系列文章目录

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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：

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
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。

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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。
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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

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
特征信息：一般分系统进程、用户进程、或者内核进程等
进程状态：运行、就绪、阻塞，表示进程现的运行情况
优先级：表示获得CPU控制权的优先级大小
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
现场保护区：保护阻塞的进程用
资源需求、分配控制信息
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
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top和ps这些用户级工具来获取

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

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方法二

进程的信息可以通过/proc系统文件夹查看

ls /proc

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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; 
}

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创建进程（fork）

fork函数基本功能
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#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

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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
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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;
}

请添加图片描述

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

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< 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) {   //child
        cout << "child - pid : " << getpid() << endl;
        sleep(10);
    } else {                //parent
        cout << "parent - pid : " << getpid() << endl;
        sleep(3);
        exit(0);
    }
    return 0;
}