【Linux系统】第八节—进程概念（上）—冯诺依曼体系结构+操作系统+进程及进程状态+僵尸进程—详解！

正文开始——

【Linux系统】第八节—进程概念（上）—冯诺依曼体系结构+操作系统+进程及进程状态+僵尸进程（结合画板一起看，理解效果更好）

一、冯诺依曼体系结构

我们常⻅的计算机，如笔记本。我们不常⻅的计算机，如服务器，⼤部分都遵守冯诺依曼体系。

截⾄⽬前，我们所认识的计算机，都是由⼀个个的硬件组件组成。

• 输⼊单元：包括键盘, ⿏标，扫描仪, 写板等
• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
• 输出单元：显⽰器，打印机等

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。

注意——对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深⼊到对软件数据流理解上，请解释：（可以看画图板上面的解释）

• 从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。
• 从你打开窗⼝，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。
• 如果是在qq上发送⽂件呢？

二、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

• 对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 对上，为⽤⼾程序（应⽤程序）提供⼀个良好的执⾏环境

2.3 核心功能

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。

2.4 如何理解 "管理"

• 管理的例⼦ - 学⽣，辅导员，校⻓
• 描述被管理对象
• 组织被管理对象

总结 计算机管理硬件

1. 描述起来，⽤ struct 结构体
2. 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

• 在开发⻆度，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。
• 系统调⽤在使⽤上，功能⽐较基础，对⽤⼾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⼾或者开发者进⾏⼆次开 发。

承上启下

那在还没有学习进程之前，就问⼤家，操作系统是怎么管理进⾏进程管理的呢？很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来！

三、进程

3.1 基本概念与基本操作

• 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。

（1）描述进程-PCB

基本概念

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。

task_struct—PCB的⼀种

• 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类型，它会被装载到RAM(内存)⾥并且包含着进程的信息。

（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 • 具体详细信息后续会介绍

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）查看进程

1. 进程的信息可以通过 /proc 系统⽂件夹查看 如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个⽂件夹。
2. ⼤多数进程信息同样可以使⽤top和ps这些⽤⼾级⼯具来获取

（4）通过系统调⽤获取进程标⽰符

• 进程id（PID）
• ⽗进程id（PPID）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    printf("pid: %d\n", getpid());
    printf("ppid: %d\n", getppid());
    return 0;
}

（5）通过系统调⽤创建进程—fork初识

• 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（采⽤写时拷⻉）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    sleep(1);
    return 0;
}

• fork 之后通常要⽤ if 进⾏分流

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    if(ret < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0)
    { 
        //child
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }else{ 
        //father
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }

    sleep(1);

    return 0;
}

注意

• fork为什么会有两个返回值？
• 两个返回值各种给⽗⼦如何返回？
• ⾄于：⼀个变量怎么能让 if 和 else if 同时成⽴这个问题，需要在后⾯才能解释清楚。

3.2 进程状态

（1）Linux内核源代码怎么说

为了弄明⽩正在运⾏的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。⼀个进程可以有⼏个状态（在Linux内核⾥，进程有时候也叫做任务）。

进程状态其实就是task_struct结构体内的一个整型变量，在操作系统里面#define宏定义R，S等定义为不同的整型值0,1等， 根据进程的不同状态将task_struct里面的整型变量的值改为对应的状态，这就是状态，未来操作系统根据task_struct里面的整型值来选择如何控制进程（调度，挂起。。。）

下⾯的状态在kernel源代码⾥定义：

/*
*The task state array is a strange "bitmap" of
*reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
*you can test for combinations of others with
*simple bit tests.
*/
static const char *const task_state_array[] = {
    "R (running)", /*0 */
    "S (sleeping)", /*1 */
    "D (disk sleep)", /*2 */
    "T (stopped)", /*4 */
    "t (tracing stop)", /*8 */
    "X (dead)", /*16 */
    "Z (zombie)", /*32 */
};

• 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。

（2）进程状态查看

 ps aux / ps axj 命令

• a：显⽰⼀个终端所有的进程，包括其他⽤⼾的进程。
• x：显⽰没有控制终端的进程，例如后台运⾏的守护进程。
• j：显⽰进程归属的进程组ID、会话ID、⽗进程ID，以及与作业控制相关的信息
• u：以⽤⼾为中⼼的格式显示进程信息，提供进程的详细信息，如⽤⼾、CPU和内存使⽤情况等

（3）Z(zombie)-僵⼫进程

• 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，后⾯讲）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

来⼀个创建维持30秒的僵死进程例⼦：

#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;
}

（4）僵尸进程的危害

• 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？是的！
• 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⼀直都要维护？是的！
• 那⼀个⽗进程创建了很多⼦进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！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！
• 内存泄漏?是的！
• 如何避免？后⾯讲。

⾄此，值得关注的进程状态全部讲解完成，下一节来认识另⼀种进程。