Linux：进程的概念

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一、冯诺依曼体系结构

计算机硬件上的结构：
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输入设备：键盘，鼠标，话筒，摄像头……网卡，磁盘
输出设备：显示器、磁盘、网卡，打印机……
输入/输出设备称为外设，Input/Output->IO，站在内存的角度理解IO

CPU = 运算器 + 控制器

存储器：内存
磁盘是外部存储

二、操作系统(Operator System)

1、概念

任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。
操作系统一款进行软硬件管理的系统软件。
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）

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2、设计OS的目的

操作系统向下对软硬件资源管理。（不是目的，是手段）
操作系统对上，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。（目的）
软硬件体系结构是层状结构
访问操作系统，必须使用系统调用——其实就是函数调用，只不过是系统提供的
我们的程序，只要你判断出它访问了硬件，那么它必须贯穿整个软硬件体系结构
库可能在底层封装了系统调用

操作系统核心：管理（先描述，再组织）

3、系统调用

操作系统要向上提供对应的服务
操作系统，不相信任何用户

用户不能直接访问操作系统内部的信息，必须通过系统调用返回信息。

三、进程的基本概念与基本操作

1、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）的实例。
进程 = 内核数据结构对象 + 自己的代码和数据

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
进程的所有属性，都可以直接或者间接通过进程控制块找到

在linux具体的进程：

进程 = PCB(task_struct) + 自己的代码和数据

3、task_struct

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4、getpid 获取进程ID

谁调用这个函数就获取谁的进程ID
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5、ps axj 所有的以特定格式的进程

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也可以使用 top 命令来查，但查看全部太多了不方便我们看

只查看当前我们的进程：
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显示进程对应的信息：

连续执行两条指令，用分号依次隔开：

也可以使用 && 隔开两条指令，效果跟分号一样
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6、kill - 9 + pid 杀掉进程

-9是信号
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7、ls /proc 通过目录结构查看进程

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对应的每个数字目录都是一个进程，数字对应的是进程的pid
目录里面存的是进程对应的各种属性

cdw(current work dir) : 存放当前路径
exe ：存放可执行程序所在的路径

函数 chdir修改当前路径
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8、getppid 获取父进程

Linux系统所以的进程都是被它的父进程创建的
一个父进程可以有多个子进程，进程也是进程树
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-bash是命令行解释器：本质也是一个进程

OS会给每一个登录的用户，分配一个bash(-bash代表远程登录)！

9、fork创建子进程

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本来是一个执行流的遇到fork会变成两个执行流

子进程没有自己独立的代码和数据，因为目前没有程序新加载

让父子执行不同的代码
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创建失败返回值小于0
在父进程里的代码中fork()返回值是子进程的pid
在子进程里的代码中fork()返回值是等于0的

进程具有独立性
数据默认是共享的，但父子如何一方，进行修改数据，OS就会把修改的数据在底层拷贝一份，让目标进程修改这个拷贝！（写时拷贝）

四、进程的状态

进程状态就是task_struct内的一个整数

运行：进程在调度队列中，进程的状态都是running!
阻塞：等待某种设备或者资源就绪，键盘、显示器、网卡、磁盘、摄像头、话筒……
进程状态的变化，表现之一，就是要在不同的队列中进行流动。本质都是数据结构的增删查改！
挂起：当操作系统的内存资源不足时，把进程的代码和数据换入到磁盘中，真正运行进程时再换入到内存里

1、Linux内核中进程的状态

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R：运行状态
S：阻塞状态，可中断休眠，浅睡眠
D：深度睡眠，不可中断休眠
t：gdb时进程被debug暂停
T：用户Ctrl+z，进程暂停
X：结束状态
Z：僵尸状态,为了获取退出信息

2、孤儿进程

父进程先结束，子进程的退出信息没有获取，此时子进程就称为孤儿进程

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父子进程关系中，如果父进程先退出，子进程要被1号进程领养，这个被领养的进程（子进程），叫做孤儿进程

1号进程是操作系统(init/systemd进程）
孤儿进程自动变成后台进程

五、进程的优先级

优先级是进程得到CPU资源的先后顺序
目标资源稀缺，导致要通过优先级确认谁先谁后的问题

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1、ps -al 查看所有进程优先级的全部信息

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UID:user id
PRI:进程的优先级，默认：80
NI:进程优先级的修正数据，nice值
进程真实的优先级 = PRI(默认） + NI

系统怎么知道访问文件的时候是用用于者，所属组还是other
Linux系统中，访问任何资源，都是进程访问，进程就代表用户

2、调整优先级

首先top,然后r，输入对应要调整的pid，最后输入调整NI的值
其他方法：nice，renice命令

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优先级的极值：nice:[-20,19]
Linux进程的优先级范围[60,99]

3、竞争、独立、并行、并发

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六、进程切换

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进程切换，最核心的，就是保存和恢复当前进程的硬件上下文的数据，即CPU内寄存器的内容
当前进程要把自己的进程硬件上下文数据保存到task_struct里面，找到TSS任务状态段

七、Linux2.6内核进程O(1)调度队列

调度和切换共同构成了调度器
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⼀个CPU拥有⼀个runqueue
如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题

queue[140]是调度队列：
1、其中0~99是实时优先级
2、而剩下的，100~139这 40 个优先级对应的进程优先级范围为[60,99]，是一个哈希，在计算映射关系时只需要加40

bitmap是一个位图：
1、一个有 5 * 32 = 160个比特位，用来对应着调度队列
2、比特位的内容：1/0 表示是否为空

*active 指针指向一个调度队列
*expired 也指向一个调度队列
当active里的队列的进程执行一个时间片后，将进程放入到expired队列中，保证每个进程都能分到资源
当active队列没有进程后 swap(&active,&expired)

调度器快速挑选一个进程：1、挑队列 2、挑进程，挑选进程的时间复杂度O(1)

实时操作系统：工业领域、制造类领域(来了个进程执行完）
实时操作系统：根据时间片来执行

八、环境变量

1、基本概念

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
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