系統(tǒng)編程：

進程概念->進程控制->基礎(chǔ)IO->進程間通信->進程信號->多線程

進程概念

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)----現(xiàn)代計算機硬件體系結(jié)構(gòu)

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)----現(xiàn)代計算機硬件體系結(jié)構(gòu)

計算機五大硬件單元：輸入設(shè)備：鍵盤輸出設(shè)備：顯示器存儲器：內(nèi)存-外存---固態(tài)接口類型SATA SATA3 PCI-E（目前最好）運算器：CPU—主頻2.5GHz，主頻越大代表時鐘震蕩周期越高，代表1s中處理的指令也就越多控制器：CPU所有設(shè)備都是圍繞存儲器工作的

關(guān)于馮諾依曼，必須強調(diào)幾點：

• 這里的存儲器指的是內(nèi)存 不考慮緩存情況，
• 這里的CPU能且只能對內(nèi)存進行讀寫，
• 不能訪問外設(shè)(輸入或輸出設(shè)備) 外設(shè)(輸入或輸出設(shè)備)要輸入或者輸出數(shù)據(jù)，也只能寫入內(nèi)存或者從內(nèi)存中讀取。
• 一句話，所有設(shè)備都只能直接和內(nèi)存打交道。

對馮諾依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到對軟件數(shù)據(jù)流理解上，請解釋，從你登錄上qq開始和某位朋友聊 天開始，數(shù)據(jù)的流動過程。從你打開窗口，開始給他發(fā)消息，到他的到消息之后的數(shù)據(jù)流動過程。如果是在qq上發(fā) 送文件呢？

硬件決定了軟件的行為

操作系統(tǒng)—管理

操作系統(tǒng)：

一個軟件安裝在計算機硬件上

目的：

為了讓計算機更加好用—功能：合理統(tǒng)籌管理計算機上邊的軟硬件資源

管理：

先描述使用pcb描述進程，使用雙向鏈表將pcb串起來進行管理，再組織。

庫函數(shù)與系統(tǒng)調(diào)用接口的關(guān)系：

封裝關(guān)系：庫函數(shù)封裝了系統(tǒng)調(diào)用接口，是上下級的調(diào)用關(guān)系

進程概念----進程是什么

進行中的程序
linux是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)，表示有大量的程序需要被cpu調(diào)度運行，這時候cpu使用了分時技術(shù)，分別輪詢處理每一個進程，在進程程序切換調(diào)度時，需要記錄運行信息，因此操作系統(tǒng)在調(diào)度進程在cpu上運行時，使用pcb對運行中的程序進行描述，通過調(diào)度pcb完成對進程的調(diào)度，因此進程是pcb。
pcb對運行中程序進行描述
每一個運行的程序都是pcb

在操作系統(tǒng)角度，操作系統(tǒng)通過pcb來控制一個進程的運行，這個pcb也叫進程描述符，描述了一個運行中的程序
Linux操作系統(tǒng)下的PCB是task_struct結(jié)構(gòu)體(用雙向鏈表進行組織的)

什么時task_struct結(jié)構(gòu)體

參考鏈接

task_struct結(jié)構(gòu)體中的內(nèi)容

• 標示符: 描述本進程的唯一標示符，用來區(qū)別其他進程。
• 狀態(tài): 任務(wù)狀態(tài)，退出代碼，退出信號等。
• 優(yōu)先級: 相對于其他進程的優(yōu)先級。
• 程序計數(shù)器: 程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址。
• 內(nèi)存指針: 包括程序代碼和進程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進程共享的內(nèi)存塊的指針
• 上下文數(shù)據(jù): 進程執(zhí)行時處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)[休學(xué)例子，要加圖CPU，寄存器]。
• I／O狀態(tài)信息: 包括顯示的I/O請求,分配給進程的I／O設(shè)備和被進程使用的文件列表。
• 記賬信息: 可能包括處理器時間總和，使用的時鐘數(shù)總和，時間限制，記賬號等。
• 其他信息

內(nèi)存指針

pcb中有一個指針指向了當(dāng)前要運行的程序 cpu通過pcb內(nèi)存指針知道代碼在什么位置，然后加載到內(nèi)存上面

cpu分時機制

不會體會到卡頓的原因，調(diào)度進程時，不會一直在一個進程上面運行，輪詢調(diào)度pcb 。 每個都執(zhí)行一段時間，切換速度很快。 每個進程只運行很短的一段時間（時間片）

程序計數(shù)器

即將執(zhí)行的指令的地址

上下文數(shù)據(jù)

cpu正在處理的數(shù)據(jù)是什么

標識符PID

每一個進程都有一個ID

進程狀態(tài)

當(dāng)前進程處于什么狀態(tài)

優(yōu)先級

前臺進程（交互式進程）優(yōu)先級更高 批處理（后臺進程）

IO狀態(tài)信息

每一個進程里面都會打開很多的文件，打開文件就要進行管理 記錄描述文件，所以需要保存下來這些信息

記賬信息

一個進程大致在cpu上運行了多長時間

進程查看

ps

-ef -aux 查看系統(tǒng)所有進程信息

• /proc 保存系統(tǒng)中正在運行的程序信息
• pid_t getpid() 獲取調(diào)用進程的pid
  
• 根目錄下的proc/目錄存放的就是當(dāng)前操作系統(tǒng)上面正在運行中的程序的運行信息

例如

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() { while(1){ sleep(1); } return 0; }

通過系統(tǒng)調(diào)用獲取進程標示符

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() { printf("pid: %d\n", getpid()); printf("ppid: %d\n", getppid()); return 0; }

進程創(chuàng)建

創(chuàng)建進程就是創(chuàng)建pcb

用fork創(chuàng)建進程
fork()—通過復(fù)制調(diào)用進程（父進程）創(chuàng)建一個新的進程（子進程）
子進程與父進程完全相同


head line 打印了一次
tail line 打印了兩次

復(fù)制了父進程的pcb（意味著和父進程擁有一樣的內(nèi)存指針，程序計數(shù)器，上下文數(shù)據(jù)）：
和父進程運行相同的代碼，相同的運行位置，
處理一樣的數(shù)據(jù)

父子進程代碼共享，數(shù)據(jù)獨有 。
同一個內(nèi)存區(qū)域，打印的值相同

子進程創(chuàng)建成功都是從下一步指令開始運行

如何分辨父子進程：通過返回值

父子進程不一定誰先運行，要看cpu調(diào)哪個pcb
父進程：

返回子進程的pid，pid>0

子進程：

返回0

失敗：

返回-1

為什么要創(chuàng)建子進程？意義何在？

分攤壓力，cpu資源足夠的情況父子進程同時處理數(shù)據(jù)，效率高

希望子進程完成其他的任務(wù)

進程狀態(tài)

普遍的系統(tǒng)的三種狀態(tài)

就緒，運行，阻塞

Linux進程狀態(tài)：

運行態(tài)（R）

可中斷睡眠態(tài)（S）

不可中斷睡眠態(tài)（D）

停止態(tài)（T）

僵死態(tài)（Z）

死亡態(tài)（X）

追蹤態(tài)（t）

加號代表前臺進程

cpu使用率非常高，什么原因？

死循環(huán)。

殺死進程

kill 進程ID

普通殺死進程殺不死停止態(tài)進程

要用強殺

kill -9 進程ID

僵尸進程：
處于僵死態(tài)的進程----進程退出后，資源沒有完全釋放（沒有完全退出）
強殺都殺不死
如何產(chǎn)生？

子進程先于父進程退出，將自己退出原因保存在pcb中，操作系統(tǒng)檢測到子進程退出，因為父進程有可能關(guān)注退出原因，所以不敢隨意釋放所有資源，通知父進程子進程的退出，但是這時父進程可能正在打麻將，沒有關(guān)注到這個通知，導(dǎo)致子進程退出了
但是資源一直沒有 釋放，處于僵尸進程，處于僵死狀態(tài)，成為僵尸進程。

危害：資源泄露，一個用戶能夠創(chuàng)建的進程是有限的，導(dǎo)致新進程創(chuàng)建失敗
處理：干掉父進程
如何避免：

進程等待

孤兒進程：

父進程先于子進程退出，子進程成為孤兒進程，運行在操作系統(tǒng)后臺，父進程成為1號進程（被領(lǐng)養(yǎng)）

孤兒進程的使命就是不斷奮斗最后成為守護進程
守護進程/精靈進程

特殊的孤兒進程 一個特殊的孤兒進程（脫離終端，脫離登會話的孤兒進程）

進程優(yōu)先級

通過一個評級來決定一個進程的cpu資源優(yōu)先分配權(quán)
為了讓計算機運行的更加合理
（因為進程的性質(zhì)各有不同—批處理/交互式）
查看：

ps -l

修改：優(yōu)先級無法直接修改，但是可以通過修改NI的值，來調(diào)整PRI的值
PRI=PRI+NI
renice程序運行后修改 （nice的范圍（-20~19））

Renic -n ni_val -p pid

nice程序運行時指定

nice -n ni_val ./main

優(yōu)先級調(diào)整更多的是針對cpu密集型程序（對cpu資源要求比較高）
磁盤密集型程序因為本事呢對cpu資源要求不是很高，因此大多數(shù)情況下，沒必要調(diào)整

我們很容易注意到其中的幾個重要信息，有下：

UID : 代表執(zhí)行者的身份 PID : 代表這個進程的代號PPID ：代表這個進程是由哪個進程發(fā)展衍生而來的，亦即父進程的代號PRI ：代表這個進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級，其值越小越早被執(zhí)行 NI ：代表這個進程的nice值

PRI and NI

PRI也還是比較好理解的，即進程的優(yōu)先級，或者通俗點說就是程序被CPU執(zhí)行的先后順序，此值越小 進程的優(yōu)先級別越高那NI呢?就是我們所要說的nice值了，其表示進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級的修正數(shù)值 PRI值越小越快被執(zhí)行，那么加入nice值后，將會使得PRI變?yōu)?#xff1a;PRI(new)=PRI(old)+nice這樣，當(dāng)nice值為負值的時候，那么該程序?qū)?yōu)先級值將變小，即其優(yōu)先級會變高，則其越快被執(zhí)行 所以，調(diào)整進程優(yōu)先級，在Linux下，就是調(diào)整進程nice值 nice其取值范圍是-20至19，一共40個級別需要強調(diào)一點的是，進程的nice值不是進程的優(yōu)先級，他們不是一個概念，但是進程nice值會影響到進 程的優(yōu)先級變化。可以理解nice值是進程優(yōu)先級的修正修正數(shù)據(jù)

用top命令更改已存在進程的nice

top 進入top后按“r”–>輸入進程PID–>輸入nice的值

競爭性:
系統(tǒng)進程數(shù)目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個，所以進程之間是具有競爭屬性的。為了高 效完成任務(wù)，更合理競爭相關(guān)資源，便具有了優(yōu)先級
獨立性:
多進程運行，需要獨享各種資源，多進程運行期間互不干擾
并行:
多個進程在多個CPU下分別，同時進行運行，這稱之為并行
并發(fā):
多個進程在一個CPU下采用進程切換的方式，在一段時間之內(nèi)，讓多個進程都得以推進，稱之為 并發(fā)

環(huán)境變量

環(huán)境變量(environment variables)一般是指在操作系統(tǒng)中用來指定操作系統(tǒng)運行環(huán)境的一些參數(shù) 如：我們在編寫C/C++代碼的時候，在鏈接的時候，從來不知道我們的所鏈接的動態(tài)靜態(tài)庫在哪里，但 是照樣可以鏈接成功，生成可執(zhí)行程序，原因就是有相關(guān)環(huán)境變量幫助編譯器進行查找。 環(huán)境變量通常具有某些特殊用途，還有在系統(tǒng)當(dāng)中通常具有全局特性

就是內(nèi)存解釋
和環(huán)境變量相關(guān)的命令

echo: 顯示某個環(huán)境變量值

export: 設(shè)置一個新的環(huán)境變量

env: 顯示所有環(huán)境變量

unset: 清除環(huán)境變量

set: 顯示本地定義的shell變量和環(huán)境變量

環(huán)境變量的組織方式

每個程序都會收到一張環(huán)境表，環(huán)境表是一個字符指針數(shù)組，每個指針指向一個以’\0’結(jié)尾的環(huán)境字符串
常見環(huán)境變量：HOME SHLL PATH

通過第三方變量environ獲取
**int argc 參數(shù)個數(shù)
char argv[] 字符串指針數(shù)組放的是參數(shù)
char env[] 這個字符串指針數(shù)組所保存的就是環(huán)境變量

#include <stdio.h>int main(int argc, char *argv[], char *env[]){ int i = 0; for(; env[i]; i++){ printf("%s\n", env[i]); } return 0; }

通過系統(tǒng)調(diào)用獲取或設(shè)置環(huán)境變量

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>int main() { printf("%s\n", getenv("PATH")); return 0; }

環(huán)境變量通常是具有全局屬性的
環(huán)境變量通常具有全局屬性，可以被子進程繼承下去

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>

int main() { char * env = getenv("MYENV"); if(env){ printf("%s\n", env); } return 0;}

直接查看，發(fā)現(xiàn)沒有結(jié)果，說明該環(huán)境變量根本不存在
導(dǎo)出環(huán)境變量 export MYENV=“hello world”
再次運行程序，發(fā)現(xiàn)結(jié)果有了！說明：環(huán)境變量是可以被子進程繼承下去的！想想為什么？

子進程崩潰了，對shell本身沒有影響

程序地址空間

為什么要用虛擬地址空間+頁表：保持進程獨立性+充分利用內(nèi)存+內(nèi)存訪問控制
段頁式內(nèi)存管理：段號+段內(nèi)地址+頁內(nèi)偏移
段式內(nèi)存管理：段號+段內(nèi)地址
頁式內(nèi)存管理：頁號+頁內(nèi)偏移

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h>

int g_val = 0;

int main(){ pid_t id = fork(); if(id < 0){ perror("fork"); return 0; }else if(id == 0){ //childprintf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val); }else{ //parent printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val); } sleep(1); return 0; }

我們發(fā)現(xiàn)，輸出出來的變量值和地址是一模一樣的，很好理解呀，因為子進程按照父進程為模版，父子并沒有對變 量進行進行任何修改。可是將代碼稍加改動:

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>int g_val = 0;int main() { pid_t id = fork(); if(id < 0){ perror("fork"); return 0; } else if(id == 0){ //child,子進程肯定先跑完，也就是子進程先修改，完成之后，父進程再讀取 g_val=100; printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val); }else{ //parent sleep(3); printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val); } sleep(1); return 0; }

我們發(fā)現(xiàn)，父子進程，輸出地址是一致的，但是變量內(nèi)容不一樣！能得出如下結(jié)論

變量內(nèi)容不一樣,所以父子進程輸出的變量絕對不是同一個變量 但地址值是一樣的，說明，該地址絕對不是物理地址！在Linux地址下，這種地址叫做 虛擬地址 我們在用C/C++語言所看到的地址，全部都是虛擬地址！物理地址，用戶一概看不到，由OS統(tǒng)一管理

OS必須負責(zé)將 虛擬地址 轉(zhuǎn)化成 物理地址 。
地址：內(nèi)存區(qū)域的編號
-----進程的虛擬地址空間—內(nèi)存描述符----mm_struct

操作系統(tǒng)通過mm_struct這個結(jié)構(gòu)體給進程描述了一個虛擬的地址
如何描述：
mm_struct{
ulong size;
ulong code_start;
ulong code_end;
ulong data_start;
ulong data_end;
}

為什么要使用虛擬地址空間虛擬地址空間+頁表
通過頁表進行映射，頁表可以進行標記，當(dāng)前地址是可讀還是可寫
提高內(nèi)存利用率
對內(nèi)存訪問進行控制
保證進程獨立性

虛擬內(nèi)存的方式
寫時拷貝技術(shù)：提高子進程創(chuàng)建效率

父進程創(chuàng)建了子進程，但是并沒有直接給子進程開辟內(nèi)存，拷貝數(shù)據(jù)， 而是跟父進程映射到同一位置， 但是如果內(nèi)存中數(shù)據(jù)發(fā)生的改變，那么對于改變的這塊內(nèi)存， 需要重新給子進程開辟內(nèi)存，并且更新頁表信息。

進程O（1）調(diào)度方法

一個CPU擁有一個runqueue

普通優(yōu)先級：100～139（我們都是普通的優(yōu)先級，想想nice值的取值范圍，可與之對應(yīng)！實時優(yōu)先級：0～99（不關(guān)心）

活動隊列
時間片還沒有結(jié)束的所有進程都按照優(yōu)先級放在該隊列 nr_active: 總共有多少個運行狀態(tài)的進程

queue[140]: 一個元素就是一個進程隊列，相同優(yōu)先級的進程按照FIFO規(guī)則進行排隊調(diào)度,所以，數(shù)組下 標就是優(yōu)先級！
從該結(jié)構(gòu)中，選擇一個最合適的進程，過程是怎么的呢？

從0下表開始遍歷queue[140]

找到第一個非空隊列，該隊列必定為優(yōu)先級最高的隊列

拿到選中隊列的第一個進程，開始運行，調(diào)度完成！

遍歷queue[140]時間復(fù)雜度是常數(shù)！但還是太低效了！
bitmap[5]:一共140個優(yōu)先級，一共140個進程隊列，為了提高查找非空隊列的效率，就可以用5*32個 比特位表示隊列是否為空，這樣，便可以大大提高查找效率
過期隊列

過期隊列和活動隊列結(jié)構(gòu)一模一樣過期隊列上放置的進程，都是時間片耗盡的進程 當(dāng)活動隊列上的進程都被處理完畢之后，對過期隊列的進程進行時間片重新計算

active指針和expired指針

active指針永遠指向活動隊列

expired指針永遠指向過期隊列

可是活動隊列上的進程會越來越少，過期隊列上的進程會越來越多，因為進程時間片到期時一直都存在 的。

沒關(guān)系，在合適的時候，只要能夠交換active指針和expired指針的內(nèi)容，就相當(dāng)于有具有了一批新的活 動進程！

在系統(tǒng)當(dāng)中查找一個最合適調(diào)度的進程的時間復(fù)雜度是一個常數(shù)，不隨著進程增多而導(dǎo)致時間成本增 加，我們稱之為進程調(diào)度O(1)算法

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux系统编程之进程概念（操作系统---管理，进程创建，进程状态，进程优先级， 环境变量，程序地址空间，进程O（1）调度方法）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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