Linux进程概念&&进程状态&&进程优先级&&内核调度队列

一、认识冯诺依曼系统

• 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。

• 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

• 先加载到内存，这是由体系结构决定的！

• CPU在数据层面，不和外设打交道，只会和内存打交道！外设不和CPU直接打交道，只和内存直接打交道

• 内存的本质：是外设和CPU的缓存—-计算机效率，以内存的速度为主！！

• 引入内存使用冯诺依曼结构可以让用户已不怎么高的成本获得一台效率不错的计算机内存让计算机更有“性价比”！

• 计算机的整体效率，本质就是在设备间拷贝的效率！

• 发送消息的本质：是基于冯诺依曼结构，从我的键盘文件拷贝数据到对方的显示器文件！！！

二、操作系统(Operator System)

• 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）

设计OS的目的：

• 任何计算机问题，都可以通过添加一层软件层来解决

• 软硬件体系结构：本质是层状的

描述被管理对象

组织被管理对象

1. 描述起来，用struct结构体

2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

• 管理的本质是对数据进行管理，管理的做法：先描述在组织！

三、什么是进程

查看进程

• 运行一个进程是需要占用CPU和内存的

• 在我们平时运行一个进程的时候（Windows）直接双击后，系统将磁盘里的exe文件加载到内存当中，这个时候就当运行起来的时候就开启了一个进程，这里要注意，加载到内存中中是不算进程的，只有当运行起来后才算是进程 –>进程 = PCB（内核数据结构） + 自己的代码和数据

• 对应的每一个进程都有一个PCB结构体，操作系统需要通过此结构体找对应的二进制

• 当有多个进程被运行起来的时候，就会产生多个PCB结构体，这个时候需要组织（可以是链表或者其他更高效的数据结构）起来进行管理，这就产生一个重要的概念——->先描述，再组织

• 每个进程都对应的每个PCB结构体，当运行的时候需要进行排队，CPU就可以通过PCB找到原代码，再把代码交给CPU运行

进程的信息可以通过/proc 系统文件夹查看

• 对于进程理解来说，在Windows上是也可以观察到的，右键状态栏的任务管理器就可以看到

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

• 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，硬件上下文的保存与恢复

• 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。

通过系统调用获取进程标识符

进程id：（pid）

父进程id：（ppid）

• 通过man 2 getpid即可查看

• Linux系统，增多进程，是通过父进程创建子进程的方式，让Linux系统中的进程变多的

• 如果创建子进程失败，会返回小于0的数字

• 创建子进程成功，该函数则会返回俩个值。

• 它会给子进程返回0值，而给父进程返回子进程的pid（一个大于0的数），创建成功后我们可以对此进行使用if语句进行分流

• 在Linux中，创建一个新的子进程，子进程的task_struct,也要被初始化，以父进程为模版，fork创建的子进程，该子进程默认好像没有自己要执行的代码和数据，其实是默认共享父进程的代码和数据，进程在数据层面上要保护数据的独立性（写时拷贝）

二、进程的状态

• 每个进程都有自己的一个状态，告诉操作系统正在干什么，将来要干什么？也就是说，进程的多种状态，本质都是为了满足未来的某种使用场景。

• 就比如Windows上的任务管理器也有显示进程的状态

运行状态

• 运行状态：从计算机的硬件出发，我们所写的代码在硬盘中，要让程序运行起来就要加载到内存当中， 每一个程序（进程）都会有一个属于自己的PCB，通过PCB来进行排队，等待CPU的调度，为了方便调度管理，操作系统会维护一个运行队列，所有就绪状态的进程的PCB会被加入到这个队列当中， CPU在调度执行时就会通过这个运行队列拿到进程的PCB，进而调度执行该进程，在排队的时候就是运行状态。

挂起状态

• 挂起状态：内存满负荷时，又要增加新的进程显然是不行的。所以操作系统会观察内存中的哪些进程没有被放在任何一个队列里面(在内存里面啥也不干)，找到以后就把此进程的代码和数据短期内置换到磁盘上，仅保留此进程的PCB。腾出的这一块空间供新的进程使用。针对于这种情况，操作系统会将阻塞进程的代码和数据置换到外设，此时该进程的状态就被称为挂起状态；
• 其中阻塞进程的代码和数据一般会存放在磁盘的swap分区，当进程被操作系统调度时，被置换到外设的代码和数据又会重新加载到内存；
• 一般情况下，swap分区的大小不会太大，大概等于内存的大小，过大的swap分区会导致操作系统过于依赖swap分区，导致效率变低；

阻塞状态

• 阻塞状态：在CPU执行一个进程的时候，可能会需要访问系统的某些资源，就比如在C语言中写的scanf()，在使用这个函数的时候，需要调用键盘，等待键盘输入数据，当进程需要键盘资源的时候，会将进程的PCB加入到硬件设备结构描述的等待队列当中，并且把PCB设置为阻塞状态，当PCB在这个等待队列中等待数据资源时，这个状态就叫做阻塞状态；

三、Linux是如何做的？

• 在Linux内核中是这样定义的：

• 先简单描述一下这些状态：
• R (Running)：该进程正在运行中。
• S (Sleep)：该进程目前正在睡眠状态，但可以被唤醒。
• D：不可被唤醒的睡眠状态，通常这个进程可能在等待I/O的情况。
• T：停止状态，发送一个暂停信号给进程，进程就暂停了。
• t：追踪停止状态，通常在断点调试时，进程处于此状态。
• X：死亡状态，这个状态是用来告诉操作系统的，所以我们观察不到此状态。
• Z (Zombie)：僵尸状态，进程已经死亡，但是却无法被删除至内存外。

• 这里我们还需要了解一个概念，进程是有依赖的，就比如我运行这个C语言程序，其父进程是bash，pid是本进程的id，ppid是父进程的id

3.1 R状态

• 下面我们编写这样一段代码，是一个死循环，这样可以观察到进程

• 普通查看进程可以这样查看

• 我们还可以用shell命令来一直刷新观察

• 这里看到是R+是代表在前台运行，在运行的时候可以使用ctrl+c进行中断，中断后进程也就退出了

• 我们可以让此程序到后台运行
• 在命令后面加“&”符号
• 这里的pid进程id是唯一的，标识此进程，ppid代表父进程

• 在运行起来后看到那个+号就没有了，说明是在后台运行中

• 想要杀死这个程序就需要使用kill命令来进行杀死

• 这里使用kill -9命令比较麻烦需要找到进程的id，我们还有一个命令

• 这样就可以不用输入进程id输入此进程的名字即可

• 这也就是说在写c语言的时候fopen新建文件的目录默认就是在当前进程工作目录

• 这个工作目录也可以修改，使用chdir

3.2 S状态

• 这个状态表示此进程正在睡眠，但是可以被唤醒

• 下面可以进行演示一下：

• 在上面的那段代码中添加了一个printf打印函数，同样是运行，但是这里为什么是S状态呢？

• 这是因为CPU运行的速度很快，一直需要请求显示器响应，CPU多数的时候是在等待，所以就显示S

• 这里我使用了实体机器的ubuntu验证了一下，是对的，一遍在疯狂的打印helloword，由于打印的速度也很快，CPU的速度也很快，所以有再看进程有的时候就会显示R状态，有的时候显示S状态~~

3.3 D状态

• 此状态是深度休眠状态，不可被唤醒，是为磁盘准备的

• 当进程需要大量的数据写入磁盘的时候，等待磁盘写入的进程状态就是休眠，上面也将过了，

• 在内存严重不足的情况下，操作系统没办法时会通过杀死进程的方式来节省资源；如果在等待的过程中进程被操作系统杀掉，并且磁盘写入数据失败，那么就会导致数据无法再加载（数据丢失）；为了避免这种情况，就可以把等待数据写入的进程状态设为D状态；

• D状态无法被杀掉（OS也不行），只能等待执行完毕后状态转换；

3.4 T状态

• 此状态是停止状态，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

• 可以使用kill -l命令查看一下发送信号的类型

3.5 t状态

• 这个小写的t状态也是停止状态

3.6 X状态

• X状态（死亡状态），就是我们常说的终止状态，它是一个瞬时状态，不会在任务列表里看到这个状态

3.7 Z状态

• 最后就是Z（zombie）僵尸状态，僵尸状态较为复杂，Linux系统中的僵尸进程状态也是一种特殊的进程状态，通常是指一个子进程已经结束运行，但其父进程还未对其进行善后处理。如果不及时清理僵尸进程，会导致系统资源泄漏，影响系统性能甚至造成系统崩溃；

还有一些其他的状态：

• I：空闲状态

• P：等待交换页

• W：没有足够的内存分页可分配

• < ：高优先级的进程

• N：低优先级的进程

四、僵尸进程

• 当有一个进程要退出的时候，它是直接原地消失、释放空间的吗？

• 使用man的2号手册可以看到fork的用法，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）

• 在return val这里可以看到返回值，如果成功返回0，失败返回-1，

• 僵尸进程通常是无法再进行管理的，所以我们不能直接杀kill掉它，而是交给操作系统来处理这个进程。

4.1 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。

• 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！

五、孤儿进程

六、进程的优先级

• 什么是优先级？
• 指定一个进程获取某种资源的先后顺序
• 本质是进程获取cpu资源的优先顺序

• 为什么要有优先级
• 进程访问的资源（CPU）是有限的

• Linux的优先级特点以及查看方式

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

PRI and NI

• 我们可以查看它的PRI和NI值

• 我们可以通过下面的命令进行修改

七、进程的四个重要概念

• 竞争性：因为cpu资源优先，所以进程难免会存在竞争行为，具体体现在优先级上。

• 独立性：进程运行期间，各个进程是不会相互干扰的，即使是父子进程。

• 并行：当有多个cpu时，这些cpu同时处理多个进程的行为叫做并行。

• 并发：在一段时间内，每个进程都可以被cpu处理一部分指令，这种行为称为并发。

八、上下文切换&&进程切换

• 每个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，这就涉及到 CPU 寄存器 和 程序计数器（PC）：

• 将前一个 CPU 的上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器里边的内容）保存起来；

• 然后加载新任务的上下文到寄存器和程序计数器；

• 最后跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

Linux内核0.11代码

五、Linux2.6内核进程调度队列

一个CPU拥有一个runqueue

优先级

• 普通优先级：100~139。

• 实时优先级：0~99。

活动队列

1. 从0下标开始遍历queue[140]。

2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列。

3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成。

4. 接着拿到选中队列的第二个进程进行调度，直到选中进程队列当中的所有进程都被调度。

5. 继续向后遍历queue[140]，寻找下一个非空队列。

过期队列

• 过期队列和活动队列的结构相同。

• 过期队列上放置的进程都是时间片耗尽的进程。

• 当活动队列上的进程被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算。

active指针和expired指针

• active指针永远指向活动队列。

• expired指针永远指向过期队列。