【Linux】进程

1. 进程

1.1 基本概念

• 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。

1.2 描述进程 - PCB

• 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。
• 课本上称之为 PCB（process control block），Linux 操作系统下的 PCB 是：task_struct。

1.2.1 task_struct - PCB的一种

• 在 Linux 中描述进程的结构体叫做 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。

1.2.2 task_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：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，使用的时钟数总和，时间限制，记帐号等。
• 其他信息…

1.3 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。

1.4 查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看。

• 如：要获取 PID 为 1 的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

• 大多数进程信息同样可以使用 top 和 ps 这些用户级工具来获取。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	while (1)
	{
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

1.5 通过系统调用获取进程标示符

• 进程 id（PID）
• 父进程 id（PPID）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("pid: %d\n", getpid());
    printf("ppid: %d\n", getppid());
    return 0;
}

1.6 通过系统调用创建进程 - fork初识

• 运行 man fork 认识 fork
• fork 有两个返回值
• 父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int ret = fork();
    printf("hello proc: %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    sleep(1);
    return 0;
}

• fork 之后通常要用 if 进行分流

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int ret = fork();
    if (ret < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if (ret == 0)
    {
        // child                                                                       
        printf("I am child: %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    else
    {
        // father
        printf("I am father: %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

2. 进程状态

2.1 看看Linux内核源代码怎么说

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，进程有时候也叫任务）。

下面是状态在 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 */
};

• 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。
• 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。

2.2 进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

2.3 Z(zombie) - 僵尸进程

• 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。

创建一个维持30秒的僵尸进程例子：

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

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if (id > 0)
    {
        // parent
        printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
        sleep(30);                                                      
    }
    else
    {
        // child
        printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    return 0;
}

编译并在另一个终端下启动监控

开始测试

看到结果

2.4 僵尸进程危害

• 进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心他的进程（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？是的！
• 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？是的！
• 那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！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！
• 内存泄漏？是的！

2.5 进程状态总结

• 至此，值得关注的进程状态全部讲解完成，下面来认识另一种进程。

2.6 孤儿进程

• 如果父进程提前退出，子进程后退出，进入 Z 状态后，该如何处理呢？
• 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，当然要由 init 进程回收。

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

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }  
    else if (id == 0)
    {  
        // child
        printf("I am child, pid: %d\n", getpid());
        sleep(10);                                             
    }
    else
    {  
        // parent
        printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

3. 进程优先级

3.1 基本概念

• 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。

3.2 查看系统进程

在 Linux 或者 Unix 系统中，用 ps -l 命令则会类似输出以下几个内容：

我们很容易注意到其中的几个重要信息，如下：

• 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

3.2.1 PRI and NI

• PRI 也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被 CPU 执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。
• 那 NI 呢？就是我们所要说的 nice 值了，其表示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。
• 这样，当 nice 值为负的时候，该程序会将优先级值变小，即：其优先级会变高，会更快的被执行。
• 所以，调整进程优先级，在 Linux 下，就是调整进程 nice 值。
• nice 其取值范围为： -20 ~ 19，一共 40 个级别。

3.2.2 PRI vs NI

• 需要强调的一点是：进程的 nice 值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程 nice 值会影响到进程的优先级变化。
• 可以理解 nice 值是进程优先级的修正数据。

3.3 查看进程优先级的命令

3.3.1 用 top 命令更改已存在进程的 nice

1. 使用 top 命令

2. 进入 top 后按 “r”

3. 输入进程 PID

4. 输入 nice 值

3.4 其他概念

• 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。

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END