操作系统进程详解

一、进程是什么？

进程是指在系统中正在运行的一个应用程序，程序一旦运行就是进程。

进程是系统进行资源分配的独立实体， 且每个进程拥有独立的地址空间。

二、进程信息

1.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操作系统下的进程控制块是：task_struct

2.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。

其内容主要包括：

• 标识符： 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。

三、进程状态

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）。

kernel源代码里定义的进程状态：

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。
• t追踪停止状态（tracing stop）: 一般在调试模式下程序运行到断点处会出现此种状态。
• 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。
• Z僵尸状态（zombie）: 子进程已经结束，等待父进程处理子进程的进程控制块的信息（不处理就一直维护进程控制块的信息）。

僵尸状态（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）没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵尸进程，僵尸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

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。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于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！
• 如果父进程创建了很多子进程，却不回收，就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！
• 造成内存泄漏
• 如何避免僵尸进程？

另外，还有一种进程叫做孤儿进程：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（就是操作系统）领养，也由init进程回收。

四、进程优先级

• 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。

ps -l  //查看进程相关信息

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

nice值其表示为进程可被执行的优先级的修正数值，PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice，nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

用top命令可以更改已存在进程的nice：输入top，进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

进程相关概念

竞争性：

系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高
效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级。

独立性：

多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰。

并行：

多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。

并发：

多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为
并发。

五、环境变量

环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数，例如：我们在编写C/C++代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。环境变量通常具有某些特殊用途，还有在系统当中通常具有全局特性。

以下是一些常见的环境变量：

• PATH：指定命令的搜索路径。
• HOME：指定用户的主工作目录（即用户登录到Linux系统时，默认的目录）
• SHELL：当前shell，它的值通常都是/bin/bash。

以下是环境变量相关命令：

echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

export 设置一个新的环境变量

env 显示所有环境变量

unset 清除环境变量

set 显示本地定义的shell变量和环境变量

六、进程地址空间

当C/C++程序运行起来时，每个进程（正在运行的程序的一种抽象）看到的内存是一致的，就好像每个进程都在独占的使用主存一样，称为虚拟地址空间。如下：

为什么说它是虚拟的呢，因为其并不是对应的物理内存的相应位置。

来看一下这段代码的结果：

我们可以发现，父子进程的flag变量对应的地址是一样的，但是值却不一样？

上面说到过，进程地址空间是虚拟的，而通过操作系统可以将虚拟地址映射到对应的物理地址上。而在进程运行时，会有一个进程控制块来管理进程，同时进程控制块维护了一个结构体，结构体中包含了对应虚拟内存各种区域的边界，这时就好像虚拟内存是真的存在一样。但其实它要通过页表，将对应的虚拟内存地址映射到物理地址上。

所以，虽然上述两个进程的虚拟地址是一样的，但是其页表的映射是不同的，才能将不同的数据映射到不同的物理地址上。

七、创建进程

1.fork函数

在linux中fork函数时非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

当进程调用fork，控制转移到操作系统内核中的fork代码后，会进行下列操作：

• 分配新的内存块和内核数据结构给子进程
• 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
• 添加子进程到系统进程列表当中
• fork返回，开始调度器调度

fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定。

fork用法：

一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求。一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数。

而当系统中进程太多时，或是用户进程数超过了限制，就会造成调用失败。

2.写时拷贝

通常，父子代码共享（但是子进程是从fork之后才开始执行的），父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图:

当fork执行之后，子进程被创建出来，包括了进程控制块和虚拟内存存储区域的结构体以及页表，代码继承父进程。如果父子进程没有修改数据，那其页表的状态都会记录为只读，同时指向物理内存的相同地方，当二者需要修改数据时，就更改页表状态，同时修改页表映射关系，并在对应物理内存位置拷贝数据进行修改。

八、进程终止

进程终止有三种场景：

• 代码运行完毕，结果正确
• 代码运行完毕，结果错误
• 代码异常终止

对于前两者，可以通过echo $?指令来查看进程退出码（从main函数返回，调用exit和_exit的都表示进程退出，其他函数则不然）

#include <unistd.h>

void _exit(int status);
void exit(int status);

//参数：status(进程退出码) 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255。

不同之处在于，exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

1. 执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。
2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入
3. 调用_exit

九、进程等待

1.为何要有进程等待

• 子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。
• 父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。
• 父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息

2.进程等待的方式

wait()

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

//等待任意一个退出的子进程
pid_t wait(int*status);

返回值： 成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
参数： 输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL.

waitpid()

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

返回值：
当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；
如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；

参数：
pid： pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。 pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
status: WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出） WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
options: 为0表示阻塞等待

对于这两者而言：

• 如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。
• 如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
• 如果不存在该子进程，则立即出错返回。

注意：这两者都是系统调用！

3.获取子进程status

• wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。
• 如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。
• status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待。其次低八位表示的就是退出状态！

十、进程替换

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变。

以下是六种替换函数：

#include <unistd.h>`

int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。如果调用出错则返回-1，所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

• l(list) : 表示参数采用列表
• v(vector) : 参数用数组
• p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
• e(env) : 表示自己维护环境变量

代码如下：

#include <unistd.h>
int main()
{
    
	 char *const argv[] = {
    "ps", "-ef", NULL};
	 char *const envp[] = {
    "PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};

	 //结束时需要在结尾加上NULL
	 execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
	 // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	 execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
	 // 带e的，需要自己组装环境变量
	 execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
	 execv("/bin/ps", argv);
	 
	 // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
	 execvp("ps", argv);
	 // 带e的，需要自己组装环境变量
	 xecve("/bin/ps", argv, envp);
	 exit(0);
}