开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库人工智能区块链大数据移动开发嵌入式开发工具数据结构与算法开发测试游戏开发网络协议系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑笔记本显卡显示器固态硬盘硬盘耳机手机 iphone vivo oppo 小米华为单反装机图拉丁

-> 系统运维 -> (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节3：进程控制（配合Linux讲解） -> 正文阅读

[系统运维](王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节3：进程控制（配合Linux讲解）

进程控制是指对系统中所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。可以简单理解为实现进程状态转换
在这里插入图片描述

一：如何实现进程控制

还记的PCB吗？ 对，就是它。在学校中学校如果想要对我们进行管理，依靠的就是你的综测，在操作系统中要对进程进行控制依靠的就是PCB

在Linux的task struct结构体定义中（Linux是用C语言写的）大家可以很明显的看到一个字段叫做state

struct task_struct {
	volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
	void *stack;
	atomic_t usage;
	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */
	unsigned int ptrace;

	int lock_depth;		/* BKL lock depth */

#ifdef CONFIG_SMP
#ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW
	int oncpu;
#endif
#endif
......
.....
...

既然这样，操作系统在实现进程状态控制时，就像记录学生成绩一样，进行删删改改，修修补补即可（当然没有这么简单）
在这里插入图片描述

创建进程：需要初始化PCB、分配系统资源
创建态->就绪态：修改PCB内容和相应队列
就绪态->运行态：恢复进程运行环境、修改PCB内容和相应队列
运行态->终止态：回收进程拥有的资源，撤销PCB
运行态->就绪态：(进程切换)需要保存进程运行环境、修改PCB内容和相应队列
运行态->阻塞态：需要保存进程运行环境、修改PCB内容和相应队列
阻塞态->就绪态：需要保存进程运行环境、修改PCB内容和相应队列。如果等待的是资源，则还需要为进程分配系统资源

二：进程控制原语

原语就是指原子性操作。“要么做要么不做，如果做了你就做完”，这就是原子性操作的含义，不能出现模棱两可的情况

进程控制是一个高度敏感的话题，如果出现控制方面的二义性问题话会导致一些不堪设想的后果，所以需要使用原语进行进程控制，采用“关中断”“开中断”实现原语操作，在执行期间不允许中断
在这里插入图片描述
接下来的三种原语中，无论哪一个原语，它们所做的事情无外乎以下三种

更新PCB中的信息。比如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境等等
将PCB插入至合适的队列
分配/回收资源

（1）进程创建

A：概述

一个进程创建另一个进程，此时创建者称为父进程，被创建的进程称之为子进程

子进程可以继承父进程所拥有的资源；子进程撤销时，应将其从父进程哪里获得的资源还给父进程

创建新进程的过程如下

申请空白PCB：为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB，若PCB申请失败，则进程创建失败
为新进程分配所需资源：为新进程的程序和数据及用户栈分配必要的内存空间，注意若资源不足，进入阻塞态等待资源
初始化PCB：主要包括初始化标志信息、初始化处理机状态信息和初始化处理机控制信息，以及设置进程的优先级等等
将PCB插入就绪队列：若进程就绪队列能够接纳新进程，则将新进程插入就绪队列，等待被调度运行

可以引起进程创建的事件有

用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新的进程。比如Linux中的bash
作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，会建立一个进程处理该请求
应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程。比如Linux中的系统调用fork

B：补充-Linux中的创建进程操作

上面所叙述的均是概述，并没有针对特定的操作系统，因此这里以Linux为例，展示一下在Linux中创建进程等操作，加深同学们的理解。如果想要了解更多请移步：Linux系统编程10：进程入门之系统编程中最重要的概念之进程&&进程的相关操作&&使用fork创建进程

fork()函数是用来创建进程的，在fork函数执行后，如果成功创建新进程就会出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程，fork函数有两个返回值

①：fork()

1：演示一：创建子进程

编写如下C语言文件，进入主函数后，执行fork函数，创建进程

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

int main()
{

	printf("执行到fork函数之前其进程为：%d，其父进程为：%d\n",getpid(),getppid()); 
	sleep(1);
	fork();
	sleep(1);

	prinf("这个进程id为:%d,它的父进程id为%d\n",getpid(),getppid());
	sleep(1);
	return 0;
}

运行效果如下
在这里插入图片描述
根据上面程序的运行效果，似乎可以发现下面比较值得注意的几点

它们的逻辑关系有些特点
从上面的动图可以发现，fork()函数调用完成之后，它们似乎是同时输出的，这是否告诉我们这两个进程是同时进行的？ 或许它可以被画成这样？

2：演示二：创建子进程
前面说过，fork有两个返回值。官方手册中是这样解释到的

在父进程中，fork返回新创建子进程的ID
在子进程中，fork返回0
未能创建，fork返回负值

在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的ID。我们可以通过fork返回值判断当前进程是什么进程。

根据以上描述，编写C语言代码，使用fork函数的返回值来进行分流

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

int main()
{
	prinf("还没有执行fork函数的本进程为：%d\n",getpid());
	pid_t=fork();//其返回值是pid类型的
	sleep(1);
	
	if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
		printf("我是父进程，我的id是：%d,我的孩子id是%d\n",getpid(),ret);
	else if(ret==0)//子进程fork返回值是0
		printf("我是子进程，我的id是%d，我的父亲id是%d\n",getpid(),getppid());
	else
		printf("进程创建失败\n");
		
	sleep(1);
	return 0;
}

效果如下在这里插入图片描述
3：演示三：一个大的问题
为了方便演示，修改上述代码如下，为每个if语句块内加入死循环，使其能不断输出

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

int main()
{
	prinf("还没有执行fork函数的本进程为：%d\n",getpid());
	pid_t=fork();//其返回值是pid类型的
	sleep(1);
	
	if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
	{
		while(1)
		{
			printf("----------------------------------------------------------------\n");
			printf("我是父进程，我的id是：%d,我的孩子id是%d\n",getpid(),ret);
			sleep(1);
		}
	}
	else if(ret==0)//子进程fork返回值是0
	{
		while(1)
		{
			printf("我是子进程，我的id是%d，我的父亲id是%d\n",getpid(),getppid());
			sleep(1);
		}
	}
	else
		printf("进程创建失败\n");
		
	sleep(1);
	return 0;
}

效果如下
在这里插入图片描述
同时再使用之前的命令查看这个进程，发现也是两个进程

但是这里有一个很大的问题：我们知道，不论是哪种编程语言，if-else执行时每次只能执行一路，怎么可能同时执行多路，同时每个if语句块内都有死循环，一个循环未结束，又怎么可能去执行其他语句呢

其实在Linux中，进程创建会形成链表，父进程创建子进程，那么父进程的进程指针会指向子进程ID。所以这两个进程是同时运行的

②：fork()相关问题

1.如何理解进程创建
前面说过，操作系统在进行管理时，必然遵循“先描述，再组织”的原则，所以在进行进程管理时。首先会创建相应的task_struct，写入有关信息，然后和你编写好的代码共同组成进程

2.为什么fork有两个返回值
根据上面的描述，可以大致描述fork函数的执行逻辑如下

pid_t fork()
{
	//先描述，再组织，所以首先为子进程创建结构体
	struct task_struct* p=malloc(struct task_struct);
	//以下逻辑就是写入属性信息
	p->XX=father->XX;
	....
	p->status=run;
	p->id=1888;
	
	//到这里之前，子进程创建完毕
	return p->id;

}

其实，进程数据=代码+数据，代码是共享的，数据是私有的，上述逻辑中return之前的语句是父进程执行，结果就是生成了子进程，等执行return语句时，子进程已经生成，于是父子进程同时执行这一条语句，又因为数据是私有的，所以各自返回不同的值

执行完fork之后，父进程pid不等于0，子进程pid等于0。这两个进程都是独立的，存在于不同地址中，不是公用的。
fork把进程当前的情况进行拷贝，执行fork时，fork只拷贝下一个要执行的代码到新的进程

为了说明变量不共用，可以编写一个C语言代码如下，同一个变量分别在父进程和子进程中修改

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

int main()
{
  int cout=0;
  printf("还未执行fork函数的cout=%d\n",cout);
  pid_t ret=fork();
  if(ret>0)
  {
    cout+=1;//父进程cout=1；
    printf("父进程：cout=%d\n",cout);
  }
  else if(ret==0)
  {
    cout+=10;//子进程cout=10；
    printf("子进程：cout=%d\n",cout);
  }
  else 
    printf("失败\n");

  sleep(1);
  return 0;
  

}

结果如下，可以发现它们不公用变量
在这里插入图片描述
3.为什么两个返回值不一样

其实很好理解，创建进程时相当于形成了链表（Linux）中，父进程指向子进程，所以返回的是子进程的ID，而子进程没有它的子进程，所以返回0。

再者从现实生活中理解，一个孩子肯定知道它只有一个爹，而一个爹可能有多个孩子，所以子进程在标识父进程时就不要做那么多的区分，但是父进程可能有多个子进程，它与它在区分不同的子进程时必须要使用PID。

4.为什么代码是共享的，数据是私有的

首先代码是不可修改的（还记得代码段，数据段吗？），还有下面的常量字符串其实反映的也是这个道理

const char* str1="Hello World";
const char* str2="Hello World";
//str1和str2地址相同

对于数据来说，如果数据不私有，造成的后果就是同一份数据在父子进程之间改来改去引起混乱

（2）进程终止

A：概述

操作系统终止进程的过程如下：

根据被终止进程的标识符，检索PCB，从中读出该进程的状态
若被终止进程处于执行状态，立即终止该进程的执行，将处理机资源分配给其他进程
若该进程还有子孙进程，则应将其所有子孙进程终止
将该进程所有用的全部资源归还给操作系统或其父进程
将其PCB从所在队列中删除

引起进程终止的事件主要有：

正常结束：表示进程的任务已经完成并准备退出运行
异常结束：表示进程在运行时，发生了某种异常事件，使程序无法继续运行。比如存储区越界、保护错误、非法指令、特权指令错误、运行超时、浮点异常等等
外界干预：指进程相应外界的请求而终止运行。比如操作员或操作系统干预、父进程请求或父进程终止

B：补充-僵尸进程与孤儿进程

上面所叙述的均是概述，并没有针对特定的操作系统，因此这里以Linux为例，展示一下在Linux中由于进程终止而产生的一些现象，加深同学们的理解。如果想要了解更多请移步：Linux系统编程10：进程入门之系统编程中最重要的概念之进程&&进程的相关操作&&使用fork创建进程

①：僵尸进程

简单点来说：僵尸进程就是子进程已经退出了，父进程还在运行当中，父进程没有读取到子进程的状态，子进程就会进入僵尸状态

使用下面的C语言程序模拟一个僵尸程序，子进程在10秒后利用exit退出，但是父进程一直在运行

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
      while(1)
      {
        printf("----------------------------------------------------\n");
        printf("父进程一直在运行\n");
        sleep(1);
      }
    }
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=0;
      while(count<=10)
      {
        printf("子进程已经运行了%d秒\n",count+=1);
        sleep(1);
      }
      exit(0);//让子进程运行10s
    }
    else
      printf("进程创建失败\n");

    sleep(1);
    return 0;
}

效果如下，可以发现，在10s后，子进程已经退出，父进程还在运行
在这里插入图片描述

根据上面的定义，当子进程先退出，父进程还在运行，由于读取不到子进程的退出状态，所以子进程会变为僵尸状态。为了方便演示，使用下面的脚本，来每1s监控进程

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep a.out | grep -v grep;sleep 1;echo "###########";done

效果如下，可以发现当子进程结束后，父进程还是在运行，此时进程太变为Z，也就是僵尸状态

在这里插入图片描述
那么为什么有僵尸进程呢？

其实道理也很简单，子进程是由父进程创建的，父进程之所以要创建子进程，其目的就是要给子进程分配任务，那么在这个过程中，子进程平白无故的没了，而父进程却不知道子进程到底把自己交给它的任务完成的怎么样，成功了还好，失败的话就能再交代一个进程去操作。
所以进程结束时一定要给父进程返回一个状态，父进程一直不读取这个状态的话，那么子进程就会一直卡在僵尸状态，其中像代码这些资源已经被释放，但是这个进程却没有真正退出，因为PCB还在维护它，直到父进程读取到它的状态，才能进入死亡状态

进程控制块中，一个进程退出后，还有一个退出码返回给父进程，如下是Linux内核中关于这部分的定义
在Linux中一行命令就是一个进程，那么这个命令的父进程是bash，那么命令在结束的一瞬间也会给bash返回一个状态码，bash作为父进程，就是依靠这个返回码来判断命令是否正常结束，如果状态码为某一个值即可判定为没有这样的命令。在Linux中可以用echo $?来查看上一个输入命令的状态返回码，命令正确返回0，否则返回非0

②：孤儿进程

孤儿进程就是父进程没了，子进程还在。那么根据上面的僵尸进程，子进程在退出后由于没有父进程来读取它的状态，所以会一直卡在僵尸状态，那么这样就会存在一个问题，它的内存资源谁来回收，通俗点将就会造成 内存泄漏

修改上面的代码，让父进程先挂，如下

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
      int cout=0;
      while(cout<10)
      {
        printf("----------------------------------------------------\n");
        printf("父进程运行了%d秒\n",cout+=1);
        sleep(1);
      }
      exit(0);//让父进程挂了
    }
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=0;
      while(1)
      {
        printf("子进程已经运行了%d秒\n",count+=1);
        sleep(1);
      }
    }
    else
      printf("进程创建失败\n");

    sleep(1);
    return 0;
}

效果如下，这里还有一个现象就是，当父进程挂了之后，子进程一直在运行，并且ctrl+C，无法结束进程。这是因为ctrl+C此时结束的是父进程，但是父进程早已结束，子进程像孤儿一样四处游荡
在这里插入图片描述
除非使用killl才能将其杀掉

那么问题来了，这个进程难道一直要占用资源吗，其实操作系统在设计的时候就考虑到了这一步。所以一旦父进程先挂了，那么这个子进程就会被1号进程领养

依然使用下面脚本进行观察

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep a.out | grep -v grep;sleep 1;echo "###########";done

效果如下，可以发现，当父进程挂了，这个进程的ppid，也就是父进程更换为了1号进程
在这里插入图片描述
1号进程是什么呢，其实就是systemd

（3）进程阻塞(Block)/等待(Wait)

A：概述

进程阻塞执行过程如下

找到将要被阻塞进程的标识号对应的PCB
若该进程为运行态，则需要保护其现场，将其状态转换为阻塞态，停止运行
把该PCB插入相应事件的等待队列，将处理机资源调度给其他就绪进程

引起进程阻塞的事件有

需要等待系统分配某种资源
需要等待相互合作的其他进程完成工作

B：补充-Linux中的进程等待

上面所叙述的均是概述，并没有针对特定的操作系统，因此这里以Linux为例，展示一下Linux中的进程等待现象，加深同学们的理解。如果想要了解更多请移步：Linux系统编程17：进程控制之进程等待&&为什么进程需要被等待&wait方法和waitpid方法&&阻塞和非阻塞等待

①：为什么进程需要被等待/阻塞

前面的例子中说过，子进程退出后就变成了僵尸状态，一旦变成僵尸状态，这个子进程就如同僵尸一样，杀也杀不死（因为它已经死了），所以它必须需要让父进程读取到它的状态，回收子进程信息。只有这样，子进程才能得到“救赎”，“魂魄”才能归天，这属于进程需要被等待的一个典型例子

②：进程阻塞式等待

在上面的僵尸进程的例子中，修改代码子进程在10s后退出，父进程在10s后继续运行，运行至第15s，跳出循环，加入语句wailt(NULL)以回收子进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
	  int count=1;
      while(count<=15)
      {
        printf("----------------------------------------------------\n");
        printf("父进程运行了%d秒\n",count);
		count++;
        sleep(1);
      }
	  wait(NULL);//回收子进程
    }
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=1;
      while(count<=10)
      {
        printf("子进程已经运行了%d秒\n",count);
		count++;
        sleep(1);
      }
      exit(0);//让子进程运行10s
    }
    else
      printf("进程创建失败\n");

    sleep(1);
    return 0;
}

如下可以发现，当父进程将子进程回收后，僵尸进程也消失了
在这里插入图片描述
如果父进程里只写上wait(NULL)，那么就表示父进程阻塞在这里，等着子进程死亡，回收子进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
		printf("父进程正在等待子进程死亡\n");
		wait(NULL);//进程阻塞
		printf("子进程已经死亡，父进程退出\n");
		exit(0);
	}
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=1;
      while(count<=10)
      {
        printf("子进程已经运行了%d秒\n",count);
		count++;
        sleep(1);
      }
      exit(0);//让子进程运行10s
    }
    else
      printf("进程创建失败\n");

    sleep(1);
    return 0;
}