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Linux 进程概念

目录

一、前言

二、概念实例,正在执行的程序等

三、描述进程-PCB 

四、组织进程

五、查看进程

​编辑六、通过系统调用获取进程标示符

七、进程切换和上下文数据 

1.进程切换 

 2.上下文数据


一、前言

在Linux中,每个执行的程序叫做进程,每一个进程都有一个id号。

在window系统中,我们打开任务管理器就能看到,下面都属于一个个进程。

那操作系统该如何管理进程呢?

在我们上篇博客已经写到

 先描述,后组织。

  • 由操作系统先把进程的结构体描述出来,这个结构体对象叫做进程控制块(PCB,Processing Control Block),里面几乎包含了所有的进程属性信息,并在内部有一个指针指向该进程的代码及数据。
  • 在上图的window系统中,我们能看到操作系统能在内存中维护多个进程,在Linux里,当我们把所有进程描述出来后,我们通过双链表将所有进程的PCB组织起来,操作系统只要拿到双链表的头指针就能遍历所有进程了。
  • 我们将进程的管理转化成数据结构中PCB的管理,也就是增删查改的过程。

当我们创建一个mytest文件时,在该文件写入数据及代码,该如何去运行呢?在Linux命令行中,我们写入./mytest(为什么是./,这跟环境变量有关系,后面再给大家讲解)。

操作系统会将mytest文件加载到内存中,并在内存中创建该进程,申请PCB。

 这就是先描述后组织的过程

总结:

 到目前为止我们对进程的理解是:内核PCB数据结构对象(描述这个进程的所有属性值)+自己的代码和数据。

操作系统对这些属性值进程管理:要找到该进程的PCB,根据PCB内的指针找到代码和数据并给CPU进行运算。

二、概念

  • 课本概念: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。

三、描述进程-PCB 

  • 进程信息被放在一个叫做进程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【Linux】Linux 中进程控制块 PCB —— task_struct 结构体结构_linux的进程控制块结构体-CSDN博客

 task_struct-PCB的一种

  • 为了描述和控制进程的运行,系统中存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块(PCB,Process Control Block),它是进程实体的一部分,是操作系统中最重要的记录性数据结构,它是进程管理和控制的最重要的数据结构。每一个进程均有一个 PCB,在创建进程时,建立 PCB,伴随进程的生命周期,直到进程终止时,PCB 将被删除。
  •  在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。
  • task_struct是Linux内核的一种数据结构,它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

task_struct 有以下进程属性保存在进程控制块中,并随进程的状态而变化:

  • 标识符: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。

假设食堂只有一个窗口,一次只能给一个人打饭,那么我们就需要排队,而排队的本质就是在确立优先级,决定你是先吃饭还是后吃饭,而插队的本质就是在更改优先级。

  • 程序计数器:程序中即将被执行的下一条指令的地址。

进程在运行,实际上是 CPU 在执行该进程的代码,那 CPU 如何得知应该取进程中的哪行指令呢?

在 CPU 中有一个寄存器叫做 EIP,这个寄存器通常被称为 PC 指针,保存着当前正在执行指令的下一条指令的地址。

如果某个进程没有跑完,不想运行时,可以把 EIP 中的内容保存进这个进程的 PCB 中,方便后面恢复运行。

  • 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

CPU 只认识 PCB,不认识程序代码和数据。可以理解成,通过 PCB 中的内存指针,可以帮我们找到该进程对应的代码和数据。

  • 上下文数据:进程执行时处理器的寄存器中的数据。

  • 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。

比如:调度一个进程,该进程运行多长时间了,累计被切换多少次了等等。

记账信息是可以指导操作系统去做某些任务的。

举例:假设一个进程被调度了 50s,一个进程被调度了 5s,两个进程优先级一样,那么在下次调度时,应该调度哪个进程呢?

一般是调度时间短的进程。

  • 其他信息。

四、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。

五、查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

命令:ps ajx

  • a:所有
  • j:任务
  • x:把所有的信息全部输出
  • 一般搭配管道使用,如:ps ajx | head - 1 && ps ajx | grep test,其中 ps ajx | head - l 是把 ps ajx 输出的信息中的第一行信息(属性列)输出。
  • 使用 top 命令实时显示进程(process)的动态。
  • 通过 /proc 系统文件目录查看。

 这个就是bash进程的id

如果要进一步查看 pid 为 29002 的进程信息,查看 /proc/29002 文件目录即可。

 操作系统中的 1 号进程是什么呢?

六、通过系统调用获取进程标示符

  • 进程id(PID)
  • 父进程id(PPID)

运行结果如下:

shell 是命令行解释器(command Interpreter)。

shell 是对所有外壳程序的统称,而 bash 是某一个具体的 shell。bash 也是许多 Linux 发行版的默认 shell。

在执行命令的时候,一般情况下,往往不是由 bash 来解释和执行,而是由 bash 创建子进程,让子进程去执行。

七、进程切换和上下文数据 

1.进程切换 

  • 进程在 CPU 上运行,并不是一直运行到进程结束。每个进程都有一个运行时间单位:时间片

时间片:从进程开始运行直到被抢占的时间。

比如:进程 1 运行了 50ms,即使进程 1 没有运行完,但它的时间片耗尽了,必须剥离此进程,让出 CPU,切换下一个进程运行。

一般情况下,进程让出 CPU,进行进程切换,有几种情况: 

  1. 来了一个优先级更高的进程。(要求:OS 必须支持抢占)
  2. 时间片到了。
  • 操作系统允许同时运行多个进程。但事实上,一个单核 CPU 永远不可能真正地同时运行多个任务,这些进程 “看起来像” 同时运行的,实则是通过进程快速切换的方式,在一段时间内让所有的进程代码都得到推进,这就是并发。但由于时间片通常很短(在 Linux 上为 5ms-800ms),用户不会感觉到。

多核 CPU / 多个 CPU,允许多个进程同时执行,这就是并行

大多数操作系统是并发和并行在同时起作用。

 2.上下文数据

进程在 CPU 上运行,CPU 寄存器上会产生很多临时数据,当一个进程被切换时,这些数据是需要被保存的,而这些数据被称为进程的上下文数据。

举例:张三大一上完后,家中有事想要休学一年,给学校提出申请,保留学籍一年,这时才能正常离开学校。一年后,张三再次回到学校,给学校提出申请,恢复学籍,这时才能继续正常上学。 

上下文数据的保存和恢复:

  • 上下文数据的保存:当一个进程在运行中,因为某些原因(比如时间片到了),需要暂时停止运行,让出 CPU,此时进程需要保存好自己所有的临时数据(即当前进程的上下文数据)到对应的 PCB 中,保存的目的是为了恢复。
  • 上下文数据的恢复:当这个进程又被切换回来时,或者切换到下一个新进程运行时,只需要把该进程的 PCB 中的上下文数据重新写入到 CPU 寄存器中,即可恢复运行。

进程切换最重要的一步就是上下文的保存和恢复。 

运行队列:

  • 假如当前操作系统中,有 4 个进程是处于可运行状态的,操作系统会形成一个运行队列。
  • 每一个 PCB 用全局的链表连起来,其中可能有若干处于可运行状态的进程,同时也属于运行队列。
  • CPU 要执行任务时就从这个运行队列中寻找就行了。
  • 当 Linux 内核要寻找一个新的进程在 CPU 上运行时,必须只考虑处于可运行状态的进程(即在 R 状态的进程),因为扫描整个进程链表是相当低效的,所以引入了容纳可运行状态的进程的双向循环链表,也叫运行队列(runqueue)。
  • 运行队列容纳了系统中所有可以运行的进程,它是一个双向循环队列。 
  • 该队列通过 task_struct 结构中的两个指针 run_list 链表来维持。队列的标志有两个:一个是 “空进程” idle_task、一个是队列的长度。
  • 操作系统为每个进程状态管理各种类型的队列,与进程相关的 PCB 也存储在相同状态的队列中。如果进程从一种状态转移到另一种状态,则其 PCB 也从相应的队列中断开,并被添加到进行转换的另一个状态队列中。
  • 所以 PCB 是可以被列入多种数据结构内的。比如 PCB 在被调度的时候,以及在等待某种资源的时候会被从调度队列移入或移出,包括等待某种资源的等待队列。

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