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[系统运维]Linux——进程概念（上）

1. 冯诺依曼体系结构

在这里插入图片描述

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

输入单元（设备）：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板，磁盘，摄像头，话筒，网卡等
中央处理器(CPU)：含有运算器（算术运算，逻辑运算）和控制器（CPU是可以响应外部事件的，协调外部就绪事件，例如拷贝数据到内存）等
输出单元（设备）：显示器，打印机，音响，磁盘，网卡等
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关于冯诺依曼，必须强调几点：

这里的存储器指的是内存
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
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CPU读取数据（数据+代码）都是要从内存中读取的。站在数据的角度，我们认为CPU不和外设直接交互
CPU要处理数据，需要先将外设中的数据加载到内存。站在数据的角度，外设直接和内存打交道

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2. 操作系统(Operator System)

2.1 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)。

笼统的理解，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）

2.2 设计OS的目的

与硬件交互，管理所有的软硬件资源
为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

2.3 如何理解 “管理”

管理是对被管理对象的数据管理
管理理念：先描述，再组织
例如：先对被管理对象进行描述，再根据描述类型，定义对象，可以把对象组织成数组——>对学生的管理工作就变成了对数组的增删查改
Linux内核是用C语言写的struct
OS：内部，一定存在大量的数据结构和算法

2.4 总结

计算机管理硬件:

描述起来，用struct结构体
组织起来，用链表或其他高效的数据结构

2.5 系统调用和库函数概念

在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
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系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

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3. 进程

我们自己启动一个软件，本质其实就是启动了一个进程
在linux下，运行一条命令，其实就是在系统层面创建了一个进程
linux是可以同时加载多个程序的，linux是肯同时存在大量的进程在系统中（OS，内存）所以必须管理进程

先描述，再组织
进程 = 对应的代码和数据 + 进程对应的PCB结构体

3.1 描述进程-PCB

PCB process control block
本质是一个结构体struct
不同的操作系统中，PCB的名字不一样
Linux：struct task_struct

.exe可执行程序其实本质就是文件：代码+数据

人认识世界，是通过属性来认识的
属性也是数据
文件 = 内容+属性

PCB包含了所有进程属性（struct）
对进程的管理，变成了对进程PCB结构图链表的增删查改
PCB是新增的

3.2 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[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
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。
其他信息

3.3 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。

3.4 查看进程

ps
ps axj
ps axj | greap ‘myproc’
ps axj | head -1 && ps axj | greap ‘myproc’

top

ls /proc 里面的文件是动态的
在这里插入图片描述
cwd是当前进程的工作目录,一般都是默认打开当前路径

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3.5 杀掉进程

kill -9 id

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4. 通过系统调用获取进程标示符

进程id（PID）
父进程id（PPID）永远都是bash

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

int main()
{
        while(1)
        {
                pid_t id = getpid();//获取的是自己的进程PID
                printf("hello world，pid:%d,ppid:%d\n",id,getppid());
                sleep(1);
        }
}

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5. 通过系统调用创建进程-fork初识

5.1 pid_t fork()

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）

返回值：

失败的时候，返回-1
成功的时候：
- 给父进程返回子进程的pid
- 给子进程返回0

5.2 fork的基本用法

fork之后，代码是父子共享的

先写出程序对应的Makefile
在这里插入图片描述
一下代码的执行情况是打印了两次you can see me ！

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fork之后有两个不同的执行流

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        //创建失败
        perror ("fork");
        return 1;
            
    }
    else if(id == 0)
    {
        //child process(task)
        while(1)
        {
            printf("I am child,pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);      
        }    
    }
    else
    {
        //parent process
        while(1)
        {
            printf("I am father,pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);        
        }    
    }
    return 0;
}

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以下有几个关于frok的问题：

为什么给子进程返回0，给父进程返回子进程的pid？
比例，父进程：子进程=1：n
所以父进程唯一，子进程可以有许多个，为了区分所以需要返回子进程的pid
为什么有两个返回值？
因为fork内部父子会各自执行自己的return语句
返回两次并不意味着保留两次

3 创建进程的时候，OS要做什么？
要先新建一个task_struct

当我们以及准备return了，我们的核心代码执行完了吗？
已经完成了
操作系统和CPU运行某一个进程，本质是从task_struct形成的队列中挑选一个task_struct，来执行它的代码
进程调度就变成了task_struct的队列中选择一个进程的过程
只要想到进程，优先想到进程对应的task_struct
父子进程被创建出来，哪一个会先被执行呢？
不一定
是由操作系统的调度器决定的

6. linux操作系统的进程状态

6.1 理论状态

在这里插入图片描述
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新建：字面意思
运行：task_struct结构体在运行队列中排队，就叫做运行态
阻塞：等待非CPU资源就绪，阻塞状态
- 系统中一定是存在各种资源的（不仅仅是CPU），网卡，磁盘，显卡等等其他设备，所以系统中不只是只存在一种队列
挂起：内存快不足的时候，操作系统会将长时间不执行的进程代码和数据换出到磁盘（swap）此时这个进程在内存中只有PCB，此时进程的状态就叫做挂起
退出：字面意思

进程可以分为前台进程和后台进程（&）
./myproc
./myproc &

6.2 具体状态：

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。
- 当服务器压力过大时，os会通过一定的手段杀掉一些进程，来节省空间

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6.3 进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

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7. Z(zombie)-僵尸进程

一个进程已经退出，但是还不允许被OS释放，处于一个被检测的状态
维持该状态是为了让父进程和OS来回收

僵死状态（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死(尸)进程
僵死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

7.1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就一直都要维护。

一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，就会造成内存资源的浪费。
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！
也会发生内存泄漏

创建一个维持30s的僵尸进程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.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{
printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return 0;
}

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8. 孤儿进程

父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？

父进程退出，子进程还在，子进程就叫做孤儿进程
孤儿进程会被领养，被1号进程领养（init，系统本身）

为什么要被领养？
未来子进程退出的时候，父进程早已不在，需要领养进程来进行回收

写一个孤儿程序：

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

int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		//child
		while(1)
		{
			printf("hello wowo!\n");
		sleep(1);
		}
	}
	else
	{
		//father
		int cnt = 5;
		while(cnt)
		{
			printf("I am father: %d\n",cnt--);
			sleep(1);
		}
	}
	return 0;
}

运行程序之后，屏幕上打印五行I am father: cnt–（5，4，3，2，1）
之后就一直在打印hello wowo!
在这里插入图片描述
这里使用ctrl+c也无法终止程序
所以需要杀掉程序的命令 kill -9 id
先使用ps命令查看ID
ps ajx I head -1
ps ajx | head -1 && ps axj | grep myproc
ps ajx | head -1 && ps axj | grep myproc | grep -v grep
while :; do ps ajx | head -1 && ps axj | grep myproc | grep -v grep; sleep 1; echo "**********************************"; done
如上图所示，输入命令 kill -9 69657 就可以杀掉（回收）程序了