浅谈Linux下进程相关属性和fork()函数

2022-05-11 04:45:36

进程：

直观概念：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

操作系统是如何管理进程的呢？先把进程描述起来，再把进程组织起来。

描述进程-PCB：进程信息被放在一个叫做程序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

组织进程：内核采用双向链表来组织task_struct

task_struct部分内容：

进程标识符(PID)：别名进程号，在操作系统中不会重复
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
内存指针：指向程序地址空间
程序计数器：保存进程即将要执行的下一条指令的地址
上下文数据：保存上一次执行时，寄存器当中的值
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：当前进程启动的时间，当前进程占用CPU的时间

程序计数器&&上下文数据应用实例：

进程在执行的时候，进程会进行切换，切换是由操作系统调度的
在被切换出去的时候，该进程中的程序计数器会保存程序要执行的下一条指令，上下文信息会保存寄存器当中的值。
再次切换回来的时候，通过程序计数器和上下文信息来恢复之前的场景，继续运算

进程状态

运行：正在CPU上面运算
就绪状态：程序已经准备好，在就绪队列中等待CPU资源
阻塞状态：等待I/O就绪

R：运行状态
S：可中断睡眠状态
D：磁盘睡眠状态，不可以被打断
T：暂停状态(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。)

前台进程：“+”代表前台进程
后台进程：没有“+”代表后台进程

t：跟踪状态---gdb调试程序的时候可以发现程序是t状态
X：死亡状态
Z：僵尸状态

了解了进程状态之后，如何来查看进程的一些属性呢
LInux下我们通过ps aux | grep 程序名来查看一个进程相关信息

//测试代码
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

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

在另一台终端输入ps aux | head -1; ps aux | grep ./test | grep -v grep(分号前面的指令是为了打印标题，后面的指令是用来查看进程信息的，grep -v grep是为了过滤)
不加grep -v

加上后效果

执行指令后我们可以读出进程标识符PID，以及进程状态(为R+)。

加上sleep(1)后，我们可以发现此时进程状态为S+。

那么如何把一个前台进程变为后台进程呢，在可执行程序后加 & 即可。

相信大家在Linux下对 ctrl+c 非常熟悉，不管遇见什么难倒我们的事情，第一件事情就是无脑 ctrl+c，看是否解决问题 /滑稽。我们可以使用 ctrl+c 关闭任何一个我们想要关闭的前台进程，但是对于后台进程他却无能为力。kill -9 pid可谓linux最强的命令了，只需知道进程的pid就可以杀死这个进程。我们来试试

kill命令能干掉后台进程，可是我们不想这么粗暴，还有其他办法吗？答案是有的：Linux下还有一个 fg 命令，他可以把最后一次放到后台的进程恢复为前台进程。然后就可以用ctrl+c关闭啦

僵尸状态我们在后文赘述。

关于进程的相关信息我们还可以通过ll /proc/进程PID来进行查看，例如查看1号进程打开的文件描述符：ll /proc/1/fd

进程优先级

基本概念：CPU资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权
查看：用top命令查看或更改已存在进程的nice值(NI)
>先在命令行输入 top

进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值即可完成NI值修改
计算公式：PR(new) = PR(old) + NI;

PRI && NI辨析

> PRI即进程优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小，进程的有限级别越高；NI就是我们所说的nice值，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值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值
> nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。
> 需要注意进程的nice值不是进程的优先级，它们是不同的概念，但是进程的nice值会影响到进程的优先级变化；可以将nice值理解为进程优先级的修正数据

fork()函数

理解：fork()函数从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
//返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

fork有两个返回值
父子进程之间代码共享，数据各自开辟空间，私有一份(采用写时拷贝)

//测试代码
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    pid_t ret = fork();
    if(ret < 0)
    {
        //error
        perror("fork error");
        return 0;
    }
    else if(ret > 0)
    {
        //father
        while(1)
        {
            printf("i am father, ret=%d, pid=%d, ppid=%d\n", ret, getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else
    {
        //child
        while(1)
        {
            printf("i am child, ret=%d, pid=%d, ppid=%d\n", ret, getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }

    return 0;
}

解释：

pid_t getpid(void)     //谁调用返回谁的进程pid
pid_t getppid(void)   //谁调用返回谁的父进程pid

运行结果：

通过返回值的不同可以让父子进程执行不同的代码
通过 ps -ef可以查看进程的pid以及进程父进程的pid，从而确定哪一个进程是父进程，哪一个进程是子进程
通过终端启动的前台程序，父进程是bash(命令行解释器)
一旦创建出子进程后，父进程和子进程就是抢占式执行

其他相关概念：

> 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，每个进程读独占一颗CPU，在同一时间，同时计算各自程序中的代码
> 并行：多个进程在同一颗CPU上面运行，每一个进程都独占CPU一小会，操作系统进行进程切换，让每一个进程都能使用CPU

总结：

fork()函数是在代码当中创建一个进程
1.调用fork()函数，fork()函数是一个系统调用
2.父进程调用fork()函数，创建子进程，子进程拷贝父进程的PCB(task_struct)，父进程和子进程是独立的两个进程
3.子进程从fork函数之后的代码开始运行，通过程序计数器(保存了程序即将要执行的下一条指令)和上下文数据(保存了寄存器当中的值)知道自己如何运行

浅谈Linux下进程相关属性和fork()函数

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fork()函数

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