Linux进程概念

如何理解 "管理"

首先说明，管理的本质就是对数据进行管理。

为什么要管理呢？

通过合理的管理软硬件资源（对下），从而给用户提供稳定，安全，高效的执行环境。（对上）

管理的方法：先描述，后组织

什么意思呢？对于硬件的管理，我们可以抽取出他们之间的性质，归结成一个类，然后通过数据结构链表的知识，我们就可以把他们链接起来，此时，我们管理硬件，不就是对链表的管理了吗，那不就很简单了，我们只需要写上增删查改的算法就能对链表进行很好的管理了。硬件是如此，软件其实也是这样。

但是由于用户并不知道怎么调用系统的接口，所以就有人写了库或者是shell来为用户提供服务，这就形成了比较完整的体系。

总结

#include <stdio.h>                                                                     
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
	pid_t ret = fork();
	if (ret < 0)
	{
		printf("fork fail");
		return -1;
	}
	else if (ret == 0)
	{
		//子进程
		while (1)
		{
			printf("pid:%d ,ret = %d\n", getpid(), ret);
			sleep(30);
			exit(-1);
		}
	}
	else
	{
		while (1)
		{
			//父进程
			printf("ppid:%d, ret = %d\n", getppid(), ret);
			sleep(2);
		}
	}
	return 0;
}

我们看看运行的结果：

我们可以看到子进程就处于僵死状态了。 

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。 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 一直都要维护。

如果 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。

这个的话就必然导致一个大问题就是 内存泄露！

孤儿进程

与僵尸进程相对，孤儿进程就是父进程提前结束，然后剩下了子进程，这样的进程就是孤儿进程，名字也十分的形象。那么孤儿进程怎么回收呢？孤儿进程会被1号init进程领养，当然要有init进程回收。

下面看看Linux下的孤儿进程，代码如下：

先看看结果：

 其中要注意的几点：首先如果父进程退出，那么子进程将会在后台运行，看上面的结果我们也知道了，该进程处于S状态，这个时候我们没有办法通过ctrl + c来结果程序，我们应该必须通过kill指令才能终止这个程序。就-9就是杀掉后面的进程的。

进程优先级

基本概念

首先有一个问题：为什么要有优先级？答案是 资源太少了，想想那么多的进程，但是CPU只有一个，就明白优先级对计算机的效率的影响有多大。

cpu 资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（ priority ）。

优先权高的进程有优先执行权利 。配置进程优先权对多任务环境的 linux 很有用， 可以改善系统性能。

还可以把进程运行到指定的 CPU 上，这样一来，把不重要的进程安排到某个 CPU ，可以大大改善系统整体性能。

优先级的本质就是PCB中的一个或者几个的整形的数字，而Linux中是支持调整优先级的。下面会讲到如何通过调整nice值来调整优先级。

查看系统进程

在Linux中我们可以通过ps -l来查看进程

UID : 代表执行者的身份

PID : 代表这个进程的代号

PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号

PRI ：代表这个进程可被执行的优先级， 其值越小越早被执行

NI ：代表这个进程的 nice值

PRI and NI

PRI就是进程的优先级 ，或者通俗点说就是程序被 CPU 执行的先后顺序，此 值越小进程的优先级别越高

NI 就是我们所要说的 nice 值了，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)（这个老的值是不变的Linux下都是80）+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

用top命令更改已存在进程的nice：

进入 top 后按 “r”–> 输入进程 PID–> 输入 nice 值

刚才我改的nice值是-100，但是最终正如Linux所展示的一样，最小也是-20，最大则是19。 

PRI vs NI

需要强调一点的是， 进程的nice值不是进程的优先级 ，他们不是一个概念，但是 进程nice值会影响到进程的优先级变化。

可以理解 nice 值是进程优先级的修正修正数据，根据上面的公式，我们不难理解， nice的改变是会影响pri值的，从而影响优先级。

其他概念

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 : 多个进程在多个 CPU 下分别，同时进行运行，这称之为并行

并发 : 多个进程在一个 CPU 下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

这里重点讲解并发概念， 因为很多计算机都是只要一个CPU的，但是进程却很多。那么怎么合理使用CPU呢？前面在介绍优先级的时候就提到了进程在CPU运行的时间是有限的，我们把这个时间称为时间片，也就是说在这个时间片里面，CPU只属于这个进程，此时进程的所有信息就会加载到寄存器中，等这个时间片过去了这个进程必须把当前的信息保存（上下文），方便下一次CPU运行该进程的时候知道运行到哪里了。等到下次再次运行的时候再把上下文信息加载到CPU，这样的运行方式就是并发。

环境变量

基本概念

环境变量 (environment variables) 一般是指在 操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数 ,如：我们在编写C/C++ 代码的时候，在链接的时候，从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里，但 是照样可以链接成功，生成可执行程序，原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。

环境变量通常具有某些特殊用途，还有在 系统当中通常具有全局特性(环境变量可以理解为我们呢学习C语言是的全局变量，那么对应的局部变量就是你在xshell中，以命令行的形式直接定义的变量就是本地的变量（也可以理解为局部变量））

 我们可以通过set来查看到我们写在本地的变量（可以看成局部变量，看上面我们使用env来查看环境变量的时候，我们发现是找不到的，这也就证实了刚刚所说的）

常见环境变量

PATH : 指定命令的搜索路径

HOME : 指定用户的主工作目录 ( 即用户登陆到 Linux 系统中时 , 默认的目录 )

SHELL : 当前 Shell, 它的值通常是 /bin/bash

查看环境变量方法

echo $NAME       //NAME: 你的环境变量名称

测试PATH

在Linux中为什么我们写的二进制可执行程序需要./  + 可执行程序才能运行呢？而有些指令确实可以不需要的。在解决这个问题前，我想说明一个结论就是指令就是程序。那么指令是怎么来的呢？其实指令的底层实现就是C语言以及汇编代码写出来的。因为这些指令使用的频率非常高，所以就把他们设置成环境变量，因为这是全局的，所以我们不需要在当前路径下才能找到，而是在全局的任何地方都是能使用的。

在我们还没有将当前文件设置成环境变量的时候就没有办法找到，我们可以通过以下方法进行环境变量的修改

方法一： 通过拷贝我们的指令到系统默认的路径下就可以实现，拷贝的本质就是安装

这是删除方法：

 

 方法二：export加之前的环境变量加上当前文件路径（不能直接加文件路径，这样就会把之前的路径覆盖掉，不过也不需要担心，只要我们重新登录一下就可以解决这个问题）

 测试HOME

  

为什么这里root路径的主工作目录和普通用户的主工作目录不同呢？这里其实和环境变量PWD有关，也就是我们平时使用的pwd。它会记录你当前的路径，下面通过比较USER中的普通用户和root的区别

 通过这段代码我们就可以知道指令是怎么实现的了。下面看看结果；
在当前用户下查看：

但是在root下查看就不是这种情况了：

 

 这就是环境变量的作用，同时这也说明了指令其实就是程序，只不过把这些程序添加到了环境变量中罢了，这样我们就可以随时使用。

和环境变量相关的命令

1. echo: 显示某个环境变量值

2. export: 设置一个新的环境变量

3. env: 显示所有环境变量

4. unset: 清除环境变量

5. set: 显示本地定义的 shell 变量和环境变量

环境变量的组织方式

通过代码如何获取环境变量

1.通过命令行第三个参数

因为这个是要c99才支持，所以我们要在makefile中增加这样的命令：

 

 

 我们就可以得到这个结果：

 

 这也就解释了指令其实也是通过C语言或者汇编语言写的，上面就是具体的实现方式。

 通过第三方变量environ获取 

其实第三方的environ和上面的实现方式本质是一样的。二级指针和指针数组是等价的。

下面是实现方式：

 结果当然和上面的结果是一样的。我们可以通过增加环境变量看看代码是否正确；

我们就可以找到刚刚我们输入的环境变量。

通过系统调用获取或设置环境变量 

 

 这里的mytest会获取到这个环境变量的根本原因就是环境变量可以被子进程继承。

我们写的程序就是一个bash的子进程，因为环境变量具有全局属性。所以子进程也能获得环境变量，从而显示出来。继承的目的就是更加方便的使用，让bash帮我们找指令路径，身份认证

程序地址空间（不准确）

在讲解之前我们先看看一个用之前的知识不能解决的问题：

我们看看这个结果： 

这个结果应该是相当让人震惊。子进程把全局变量修改之后，父进程的g_val竟然还是0，这个还好理解，因为父子进程共享代码，同时他们不是同一个进程，所以两个值不同很正常。但最让人感到震惊的是他们的地址竟然是相同的。如果用我们以前的知识来回答就没有办法回答了。因为同一地址的值不可能相等，除非他们的地址不相同。那该怎么解释呢？

通过上面的分析可以得到以下结论：

变量内容不一样,所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量

但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！

在Linux地址下，这种地址叫做 虚拟地址

我们在用C/C++语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理

O S必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址 。

那么我们该怎么理解这些结论呢：

首先我们可以这么认为每一个进程都是独立的。站在进程的角度我们可以认为进程在一个人想用内存的资源。所以每一个进程都有一个虚拟的地址空间。而这个空间和内存大小相同。那么进程的地址空间也是要被操作系统管理的，那怎么管理呢？当然是先描述，后组织。

我们可以用一个数据结构对他进行管理，也就是一个对象mm_struct。所以进程地址空间的本质就是内核的数据结构。

 根据我们之前所学进程就等于内核的数据结构+进程对应的代码和数据。其中数据结构是独立的，代码和数据也是独立的，那不就等于进程是独立的吗。

那么上述步骤的完整过程就是以下这样的：

 

进程地址空间

所以之前说 ‘ 程序的地址空间’是不准确的，准确的应该说成 进程地址空间 ，那该如何理解呢？

 刚刚我们解释了进程地址空间是什么，现在我们来谈谈为什么有程序地址空间

第一：如果进程直接访问物理内存，这是不安全的。一旦访问越界那么就可能导致程序改掉了。这样我们用户是访问不到实际的物理地址的。

第二：为了方便进程和进程数据的解耦，这样保证了进程的独立性。

第三：让进程以统一的视角来看待进程的代码和数据的区域，方便编译器也以统一的方式来编译代码。因为这具有规则性。所以都要遵守。

前两点比较好理解，那么第三点怎么理解呢：

在我们平时写代码调试的时候相信大家都调试过。尤其在我们看反汇编的时候，我们就会发现在那个阶段就有了地址了。这个也就是虚拟地址。所以在编译器来看，这些都是虚拟地址。这是大家都有遵守的。怎么理解呢？

下面通过画图来理解：

实际上这里是有两套地址的。第一套就标识了物理存在中的代码和数据，另外一套就是程序互相跳转使用的虚拟地址。 

其是cpu很“笨”，cpu只会分析指令，但是他的速度很快。通过我们对进程地址空间的学习，我想大家应该对操作系统有了一定的了解。可以说没有操作系统就等于没有计算机。相信学习到这里都能感受到操作系统的强大。

通过进程地址空间的学习，我们知道了实际的地址并不是我们在C语言中学习到的简单的栈，堆，静态区等等的空间，只是语言这个学科没有办法解释这个问题才使用的不准确的回答。通过学习操作系统我们就很深刻的理解了地址的底层原理以及为什么要这样设计。