进程
进程的概念
进程（Process）是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。它是系统运行程序的最小单位，是资源分配和调度的基本单位。
进程的特点如下
进程是⼀个独⽴的可调度的活动, 由操作系统进⾏统⼀调度, 相应的任务会被调度到cpu 中进⾏执⾏
进程⼀旦产⽣，则需要分配相关资源，同时进程是资源分配的最⼩单位
进程和程序的区别
- 程序是静态的，它是⼀些保存在磁盘上的指令的有序集合，没有任何执⾏的概念
- 进程是⼀个动态的概念，它是程序执⾏的过程，包括了动态创建、调度和消亡的整个过程
- 并⾏执⾏ : 表示多个任务能够同时执⾏，依赖于物理的⽀持，⽐如 cpu是4核⼼，则可以同时执⾏4个任务
- 并发执⾏ : 在同⼀时间段有多个任务在同时执⾏，由操作系统调度算法来实现，⽐较典型的就是时间⽚轮转
LINUX进程管理
在 Linux 系统中管理进程使⽤树型管理⽅式
- 每个进程都需要与其他某⼀个进程建⽴ ⽗⼦关系, 对应的进程则叫做 ⽗进程
- Linux 系统会为每个进程分配 id , 这个 id 作为当前进程的唯⼀标识, 当进程结束, 则会回收
进程的 id 与 ⽗进程的 id 分别可以通过 getpid() 与 getppid() 来获取
getpid()
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void);
该函数用来获取当前进程的 id
getppid()
#include <unistd.h>
pid_t getppid(void);
该函数用来获取当前进程的⽗进程的 id
进程的地址空间
⼀旦进程建⽴之后, 系统则要为这个进程分配相应的资源, ⼀般系统会为每个进程分配 4G 的地址空间
4G 的进程地址空间主要分为两部分:
0 - 3G : ⽤户空间
3G - 4G ： 内核空间⽤户空间⼜具体分为如下区间
stack : 存放⾮静态的局部变量
heap : 动态申请的内存
.bss : 未初始化过的全局变量（包括初始化为 0 的, 未初始化过的静态变量 (包括初始化为 0)
.data : 初始化过并且值不为 0 的全局变量, 初始化过的不为 0 静态变量
.rodata : 只读变量（字符串之类）
.text : 程序⽂本段（包括函数，符号常量）
- 当⽤户进程需要通过内核获取资源时, 会切换到内核态运⾏, 这时当前进程会使⽤内核空间的资源⽤户需要切换到内核态运⾏时, 主要是通过 系统调⽤
虚拟地址和物理地址
- 虚拟地址 : 程序运行时使用的地址, 由操作系统管理, 程序只能通过虚拟地址访问内存
- 物理地址 : 实际物理内存中存储数据的地址, 由硬件管理, 程序只能通过物理地址访问内存
- 虚拟地址和物理地址的转换关系由操作系统完成, 程序只能通过虚拟地址访问内存
- 虚拟地址空间和物理地址空间的映射关系由操作系统完成, 程序只能通过虚拟地址访问内存
在 cpu 中有⼀个硬件 MMU(内存管理单元) , 负责虚拟地址与物理地址的映射管理以
及虚拟地址访问
操作系统可以设置 MMU 中的映射内存段
在操作系统中使⽤虚拟地址空间主要是基于以下原因:
直接访问物理地址, 会导致地址空间没有隔离, 很容易导致数据被修改
通过虚拟地址空间可以实现每个进程地址空间都是独⽴的，操作系统会映射到不⽤的
物理地址区间，在访问时互不⼲扰.
进程状态管理
进程是动态过程，操作系统内核在管理整个动态过程时会使⽤了
状态机,
- 给不同时间节点设计⼀个状态，通过状态来确定当前的过程进度
- 在管理动态过程时，使⽤状态机是⼀种⾮常好的⽅式
进程的状态⼀般分为如下
- 运⾏态 (TASK_RUNNING) : 此时进程或者正在运⾏，或者准备运⾏, 就绪或者正在进⾏都属于运⾏态
- 睡眠态 () : 此时进程在等待⼀个事件的发⽣或某种系统资源
- 可中断的睡眠 (TASK_INTERRUPT) : 可以被信号唤醒或者等待事件或者资源就绪
- 不可中断的睡眠 (TASK_UNTERRUPT) : 只能等待特定的事件或者资源就绪
- 停⽌态 (TASK_STOPPED) : 进程暂停接受某种处理。例如：gdb 调试断点信息处理。
- 僵死态（TASK_ZOMBIE）：进程已经结束但是还没有释放进程资源
进程相关命令
ps
参数:
- -e 显示所有进程
- -f 显示进程详细信息
- -l 显示进程详细信息，包括线程信息
- -u 显示指定用户的进程
- -aux 显示所有进程，包括其他用户的进程
ps -aux
ps -ef | grep " 进程名 " # 查找进程
top
实时显示系统中进程的运行状态
top [-] [d delay] [q] [c] [S] [s] [i] [n] [b]
选项:
- d : 改变显示的更新速度，或是在交谈式指令列 (interactive command) 按 s
- q : 没有任何延迟的显示速度，如果使⽤者是有 superuser 的权限，则 top 将会以最⾼的优先序执⾏
- c : 切换显示模式，共有两种模式，⼀是只显示执⾏档的名称，另⼀种是显示完整的路径与名称
- S : 累积模式，会将⼰完成或消失的⼦进程 (dead child process) 的 CPU time 累积起来
- s : 安全模式，将交谈式指令取消, 避免潜在的危机
- i : 不显示任何闲置 (idle) 或⽆⽤ (zombie) 的进程
- n : 更新的次数，完成后将会退出 top
- b : 批次档模式，搭配 “n” 参数⼀起使⽤，可以⽤来将 top 的结果输出到档案内
top - 14:34:29 up 7 days, 18:51, 1 user, load average: 1.00, 0.95, 0.61
- top：名称
- 14:34:29 ：系统当前时间
- up 7 days, 14:30：系统以及运⾏的时间，和 uptime 命令相等
- 1 users：当前有 1 个⽤户在线
- load average: 1.00, 0.95, 0.61：系统负载，即任务队列的平均⻓度。 三个数值分别为 1 分钟、5 分钟、15 分钟前到现在的平均值。
Tasks: 290 total, 2 running, 287 sleeping, 0 stopped, 1 zombie
- Tasks：任务，也就是进程
- 290 total：当前总共有 290 个任务，也就是 290 个进程
- 2 running：2 个进程正在运⾏
- 287 sleeping：263 个进程正在休眠
- 0 stopped：0 个停⽌的进程
- 1 zombie：1 个僵⼫进程
%Cpu(s): 51.0 us, 0.7 sy, 0.0 ni, 47.8 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.5 si, 0.0 st
- %Cpu(s)：CPU 使⽤率
- 51.0 us：⽤户空间占⽤ CPU 时间的百分⽐（⼤部分进程都运⾏在⽤户态，通常都是希望⽤户空间 CPU 越⾼越好）
- 0.7 sy：内核空间占⽤ CPU 时间的百分⽐（Linux 内核态占⽤的 CPU 时间，系统 CPU 占⽤越⾼，表明系统某部分存在瓶颈。通常这个值越低越好）
- 0.0 ni：占⽤ CPU 时间的百分⽐（ni 是 nice 的缩写，进程⽤户态的优先级，如果调整过优先级，那么展示的就是调整过 nice 值的进程消耗掉的 CPU 时间，如果系统中没有进程被调整过 nice 值，那么 ni 就显示为 0）
- 47.8 id：空闲 CPU 占⽤率，等待进程运⾏
- 0.0 wa：等待输⼊输出的 CPU 时间百分⽐（CPU 的处理速度是很快的，磁盘 IO 操作是⾮常慢的。wa 表示 CPU 在等待 IO 操作完成所花费的时间。系统不应该花费⼤量的时间来等待 IO操作，否则就说明 IO 存在瓶颈）
- 0.0 hi：CPU 硬中断时间百分⽐（硬中断是硬盘、⽹卡等硬件设备发送给 CPU 的中断消息 ）
- 0.5 si：CPU 软中断时间百分⽐（软中断是由程序发出的中断 ）
- 0.0 st：被强制等待（involuntary wait）虚拟 CPU 的时间，此时 Hypervisor 在为另⼀个虚拟处理器服务。
MiB Mem : 3889.9 total, 366.0 free, 1535.2 used, 1988.6 buff/cache
- MiB Mem：内存
- 3889.9 total：物理内存总量
- 366.0 free：空闲内存量
- 1535.2 used：已使⽤的内存量
- 1988.6 buff/cache：⽤作内核缓存的内存量
MiB Swap: 2048.0 total, 2035.2 free, 12.8 used. 2082.9 avail Mem
- MiB Swap：交换空间（虚拟内存，当内存不⾜的时候，把⼀部分硬盘空间虚拟成内存使⽤）
- 2048.0 total：交换区总量
- 2035.2 free：空闲交换区总量
- 12.8 used：使⽤的交换区总量
- 2082.9 avail Mem：可⽤于启动⼀个新应⽤的内存（物理内存），和 free 不同，它计算的是可回收的 page cache 和 memory slab
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
- PID：进程 id
- USER：进程所有者
- PR：进程的优先级，越⼩优先级越⾼
- NI：nice 值，负值表示⾼优先级，正值表示低优先级
- VIRT：进程使⽤的虚拟内存，单位是 kb
- RES：进程使⽤的物理内存，单位 kb
- SHR：进程使⽤的共享内存，单位 kb
- S：进程状态（S 表示休眠，R 表示正在运⾏， Z 表示僵死状态，N 表示该进程优先值为负数，I 表示空闲状态）
- %CPU：进程占⽤ CPU 时间的百分⽐
- %MEM：进程占⽤内存的百分⽐
- TIME+：进程实际运⾏的时间
- COMMAND：进程的名称
pstree
显示进程树
kill
kill 命令是⽤于结束进程的命令或者⽤于显示相关信号
kill [选项] [参数]
选项:
- -l ： 显示信号名称
- -s ： 指定发送的信号
- -a ： 杀死进程组中的所有进程
- -p ： 杀死进程组中的进程，并将它们从进程组中剔除
- -u ： 指定用户
- -signal ： 发送指定的信号
参数:
- 进程号： 要结束的进程号
进程的创建
并发和并行
并发：多个任务在同⼀时间段被调度运行，⽐如同时有两个任务在运行，这就是并发。在有限的 cpu 核⼼的情况下（如只有⼀个 cpu 核⼼) , 利⽤快速交替 (时间⽚轮
转) 执⾏来达到宏观上的同时执⾏并行：多个任务在不同时间段被调度运行，⽐如同时有两个任务在不同 CPU 上运行，这就是并行。在 cpu 多核的⽀持下，实现物理上的同时执⾏
并⾏是基于硬件完成，⽽并发则可以使⽤软件算法来完成, 在完成任务时，可以创建多个进程并发执⾏
fork()
创建子进程
返回值:
- 0： 子进程
- -1： 出错
创建子进程的过程: - 父进程 fork() 系统调用，创建子进程，返回子进程的进程号
- 子进程复制父进程的地址空间
- 子进程从 fork() 系统调用返回，父进程继续执行
⽗⼦进程并发执⾏, ⼦进程从 fork() 之后开始执⾏
⽗⼦进程的执⾏顺序由操作系统算法决定的，不是由程序本身决定
⼦进程会拷⻉⽗进程地址空间的内容, 包括缓冲区、⽂件描述符等 (COPY ON WRITE)
父子进程执行不同的任务
- 使用 fork() 创建子进程，⽗进程和⼦进程可以并发执⾏不同的任务，
- 执行不同的任务需要利用fork()函数返回值
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
pid_t cpid;
cpid = fork();
if (cpid == -1){
perror("[ERROR] fork()");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(cpid == 0){// 子进程
printf("Child process task.\n");
exit(EXIT_SUCCESS);
}else if (cpid > 0){// 父进程
printf("Parent process task.\n");
}
//父子进程都要执行的代码
printf("Child and Process Process task.\n");
return 0;
}
创建多个进程
- 在创建多个进程时, 最主要的原则为 由⽗进程统⼀创建，统⼀管理, 不能进⾏递归创建
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(){
int cpid;
cpid = fork();
if (cpid == -1){
perror("fork(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if (cpid == 0){// 子进程
printf("The child process < %d > running...\n",getpid());
sleep(2);
printf("The child process < %d > has exited\n",getpid());
exit(EXIT_SUCCESS);
}else if (cpid > 0){// 父进程
cpid = fork();
if (cpid == -1){
perror("fork(): ");
}else if (cpid == 0){
printf("The child process < %d > running...\n",getpid());
sleep(3);
printf("The child process < %d > has exited\n",getpid());
exit(EXIT_SUCCESS);
}else if (cpid > 0){
}
}
return 0;
}
进程的退出
在进程结束时，需要释放进程地址空间 以及内核中产⽣的各种数据结构
资源的释放需要通过调⽤ exit 函数或者 _exit 函数来完成
在程序结束时，会自动调⽤ exit 函数
exit()和_exit()
exit()函数让当前进程退出,并且刷新缓冲区
#include <stdlib.h>
void exit(int status);
参数:
- status：进程退出状态
- 系统中定义了 EXIT_SUCCESS 和 EXIT_FAILURE 两个宏，用来表示成功和失败的状态码,具体定义在头文件 stdlib.h 中
#define EXIT_FAILURE 1
#define EXIT_SUCCESS 0
示例:
创建⼀个⼦进程，让⼦进程延时 3 s 后退出
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(){
pid_t cpid;
cpid = fork();
if (cpid == -1){
perror("[ERROR] fork(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(cpid == 0){printf("Child Process < %d > running...\n",getpid());
sleep(3);
printf("Child Process < %d > has exited.\n",getpid());
exit(EXIT_SUCCESS);
}else if(cpid > 0){
sleep(5);
}
return 0;
}
_exit()
exit 函数与 _exit 函数功能相似, 但有很多不同, 具体如下:
- _exit() 属于系统调⽤, 能够使进程停⽌运⾏, 并释放空间以及销毁内核中的各种数据结构
- exit() 基于_exit() 函数实现, 属于库函数, 可以清理 I/O 缓冲区
进程的等待
- 在⼦进程运⾏结束后，进⼊僵死状态, 并释放资源, ⼦进程在内核中的 数据结构 依然保留
- ⽗进程 调⽤ wait() 与 waitpid() 函数等待⼦进程退出后，释放⼦进程遗留的资源
task_struct 结构体随着进程的创建而创建和销毁而销毁, 它包含了进程的所有信息, 包括进程号、进程状态、进程调度信息、进程资源使用信息等
wait()函数 和 waitpid()函数
wait()函数
函数头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *wstatus);
功能:
让函数调⽤者进程进⼊到睡眠状态, 等待⼦进程进⼊僵死状态后，释放相关资源并返回
参数:
- wstatus： 指向整数的指针，用来接收⼦进程的退出状态
获取具体值需要使⽤ WEXITSTATUS() 宏定义
返回:
- 若成功，返回值是⼦进程的进程号
- 若出错，返回值是 -1
会阻塞调⽤者进程（⼀般为⽗进程）
在⼦进程状态为僵死态时，回收资源，并释放资源后返回
创建⼀个⼦进程, 延时 3s 后退出, ⽗进程等待⼦进程退出
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main(void)
{
pid_t cpid;
cpid = fork();
if (cpid == -1){
perror("[ERROR] fork(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(cpid == 0){
printf("The Child process < %d > running...\n",getpid());
sleep(3);
exit(88);
}else if(cpid > 0){
int rpid,status = 0;
rpid = wait(&status);//会阻塞父进程,等待子进程的状态变化,自动释放资源并返回
if (rpid == -1){
perror("[ERROR] wait() : ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("The Child Process < %d > has exited,exit code < %d >.\n",rpid,WEXITSTATUS(status));
}
return 0;
}
在 wait 存储在 satus 变量的值, 存储了很多信息, 通过⼀系列 W 开头的宏来解析获取
WIFEXITED(status) : 进程是否正常结束
WEXITSTATUS(wstatus) : 获取进程退出状态值, exit 函数的参数
WIFSIGNALED(wstatus) : 表示该⼦进程是否被信号结束的, 返回真，则表示被信号结束的
WTERMSIG(wstatus) : 返回结束该⼦进程的那个信号的信号值
WCOREDUMP(wstatus) : 表示该⼦进程被信号唤醒的
WIFSTOPPED(wstatus) : 表示该⼦进程是否被信号中⽌ (stop) 的 , 返回真，则表示是被信号中⽌的
waitpid()函数
waitpid 函数的功能与 wait 函数⼀样，但⽐ wait() 函数功能更强⼤, waitpid() 函数可以指定等待的进程
####函数头⽂件
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
函数原型
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);
函数参数
pid : 进程 id
- -1 : 可以等待任意⼦进程
- >0 : 等待 id 为 pid 的进程
wstatus : 保存⼦进程退出状态值变量的指针
options : 选项
- WNOHANG : ⾮阻塞选项 // 若没有可等待的进程, 则返回 0, 否则返回 -1
- WUNTRACED : 等待被跟踪的进程
- WCONTINUED : 继续被跟踪的进程
- WEXITED : 等待退出的进程
- WSTOPPED : 等待停止的进程
- WNOWAIT : 不创建新的进程组
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main(void)
{
pid_t cpid;
cpid = fork();
if (cpid == -1){
perror("[ERROR] fork(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}else if(cpid == 0){
printf("The Child process < %d > running...\n",getpid());
sleep(3);
exit(88);
}else if(cpid > 0){int rpid,status = 0;
//rpid = waitpid(-1,&status,0);//-1是等待任意子进程退出 // 0是默认阻塞的
rpid = waitpid(-1,&status,WNOHANG);//WNOHANG是非阻塞
if (rpid == -1){
perror("[ERROR] wait() : ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
#if 0
//没有子进程退出就返回0
while((rpid = waitpid(-1,&status,WNOHANG)) == 0){
}
#endif
printf("The Child Process < %d > has exited,exit code < %d >.\n",rpid,WEXITSTATUS(status));
}
return 0;
}
进程的替换
创建⼀个进程后，pid 以及在内核中的信息保持 保持不变, 但进程所执⾏的代码进⾏替换
作⽤ : 通过⼀个进程启动另外⼀个进程
应⽤场景:Linux 终端应⽤程序，执⾏命令时，通过创建⼀个进程后，在替换成命令的可执⾏程序再执⾏
在 Linux 系统中提供了⼀组⽤于进程替换的替换，共有 6 个函数
函数原型:
int execl (const char *__path, const char *__arg, ... / (char *) NULL */)
> pathname 指向一个字符数组，即字符串。这个字符串表示可执行文件的路径
> arg 指向一个字符数组，即命令行参数。这个参数列表可以为空。
> 省略号 ... 表示可变参数列表，它允许传递任意数量的参数给可执行文件，包括命令行参数。在参数列表的最后必须以 (char *) NULL 来指示结束。
> NULL 是一个字符型指针表示空值，用来指示参数列表的结束。
int execlp(const char *file, const char arg, … / (char *) NULL */);
int execle(const char *pathname, const char arg, … /, (char *) NULL, char *const envp[] */);
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);
> 函数参数:
path：可执文件的路径名
file : 可执文件名，可以通过 path 环境变量指定的路径
arg : 参数列表，以 NULL 结尾
argv[] : 参数数组
envp[] : 环境变量数组
> 函数返回值:
成功 : 0
失败 : -1
示例:通过 execl 函数族执⾏ ls -l 命令
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
int ret;
#if 0
ret = execl("/bin/ls","ls","-l",NULL);//替换当前进程,启动ls命令
if (ret == -1){
perror("[ERROR] execl(): ");
exit(EXIT_FAILURE);//退出当前进程
}
#endif
char *const argv[]={"ls","-l",NULL};//参数列表
ret= execv("/bin/ls",argv);//替换当前进程,启动ls命令
if (ret == -1){
perror("[ERROR] execl(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//env可以查看环境变量
ret= execlp("ls","ls","-l",NULL);//函数会搜索环境变量当作路径
if (ret == -1){
perror("[ERROR] execl(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}
//这个操作替换了当前进程,启动了另外的程序
//一般是先创建子进程,然后在子进程中调用 execl 函数族,替换子进程
//替换当前进程,启动ls命令
if (ret == -1){
perror("[ERROR] execl(): ");
exit(EXIT_FAILURE);//退出当前进程
}
#endif
char *const argv[]={"ls","-l",NULL};//参数列表
ret= execv("/bin/ls",argv);//替换当前进程,启动ls命令
if (ret == -1){
perror("[ERROR] execl(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//env可以查看环境变量
ret= execlp("ls","ls","-l",NULL);//函数会搜索环境变量当作路径
if (ret == -1){
perror("[ERROR] execl(): ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}
//这个操作替换了当前进程,启动了另外的程序
//一般是先创建子进程,然后在子进程中调用 execl 函数族,替换子进程