Linux 进程概念和状态

一、冯诺依曼体系结构

二、操作系统

1.概念

2.理解操作系统的管理

硬件和管理

为什么要有操作系统

三、进程的概念

PCB：

进程的删除和子进程的创建

删除

创建子进程

四、进程的状态

七种状态：

实验查看部分状态：

R：

T/t：

Z/X：

运行状态

阻塞状态和阻塞挂起状态

一、冯诺依曼体系结构

我们在使用计算机本质上都是对数据进行处理，将数据输入到计算机，计算机在输出到一些设备上让我们看到。计算机在处理这些数据上都基本遵循着冯诺依曼体系。

输入设备：键盘、鼠标、磁盘、网卡、话筒...

存储器：内存

中央处理器：cpu

输出设备：显示器、声卡、磁盘、网卡...

这个过程就是对数据的流动加工，先将数据输入到输入设备中，输入设备再拷贝到存储器上，存储器将数据给运算器来进行基本运算处理数据，再把加工后的数据返给存储器，由存储器给输出设备。整个过程都是由控制器来控制的。我们都知道cpu是非常快的，但它容量很小，它也是计算机最重要的部分。

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上图总结一下就是距离cpu越近，成本越高，容量越小。

存储器的作用：

体系中存储器起到的作用就像一个巨大的缓存。如果没有它，处理数据时就是外设（输入输出设备）把数据给cpu，但外设的速度又是特别慢的，cpu是很快的，这就导致数据的流动是一点一点流，cpu一点一点的处理数据，整体效率就很低。有了存储器，内存就会先将这些数据存起来，等达到一定要求时再给cpu让其运算，返给内存后，等到输出设备需要时再给它。这时的运算效率就成了内存到cpu，比外设到cpu快很多。

如果我们有钱也可以将内存和硬盘都换成cpu，不过那样的电脑就要几百万，所以内存和硬盘的存在也是计算机价格低的原因。

体会冯诺依曼体系的运行方式：
1.程序的运行

一个程序包含代码和数据，我们要通过代码运算数据就需要cpu来实现，这期间程序是一直在内存上的，我们使用输入设备将数据给内存上的程序在由cpu加工。这也像我们写代码一样，开辟的变量都是在内存上，最后通过内存由cpu去执行代码对数据进行加工得出结果，再由内存返给显示器让我们看到。

2.网上聊天

假如你和一个朋友在使用qq聊天，你给他发“在吗”，可能为了保证数据的安全需要对数据加密，就要cpu的处理，从输入设备输入到内存，cpu在处理数据。使用qq需要网络，输出设备就必须能和网路建立联系，所以要将数据流到网卡上，中间还有网路的处理这里先不管。朋友的电脑就是从输入设备（网卡）上拿到加密的“在吗”，将数据给内存，再到cpu解密返给内存，内存在给到输出设备（显示器）让朋友看到。

二、操作系统

1.概念

操作系统是一款软件，对软硬件资源管理的软件。在电脑开机时，等待一段时间显示器才会显示内容，这段时间就是在等待操作系统的启动。

广义认识：操作系统内核和操作系统外壳周边程序（对操作系统的使用方法）

狭义认识：操作系统内核。

2.理解操作系统的管理

操作系统结构示意图（层状结构）：

硬件和管理

先来了解一下对硬件的管理，硬件都是有自己的属性，属性是用来描述硬件的状态及一些相关信息，就像写的通讯录存储人的信息，不过只会存储需要的信息，比如姓名、年龄、电话等等。

拿鼠标来举例，我们在更换鼠标的时，链接上新鼠标，右下角就会提示正在安装驱动程序，过一段时间新鼠标才可以使用。因为不同的鼠标都有不同的厂商，属性是略有不同。操作系统不可能有所有鼠标的属性数据，所以这些硬件的数据就要有厂商来提供接口，让操作系统拿到数据并可以修改数据。这些接口就是驱动程序，操作系统使用驱动管理来对接驱动程序对硬件进行管理。

linux操作系统是使用c来写的，对硬件属性的描述，就可以使用struct来封装。硬件的属性有相同的地方，如厂商、电流大小等，不同的有状态以及功能，只用有相同处就可以使用数据结构进行管理，假如这里是用list对硬件进行链接，那我们对硬件进行管理就是对list进行增删查改。这种方式同样的适合其他的管理，例如文件管理，我们对目录下的增删查改。所以操作系统内是有着大量的数据结构进行管理工作的。

总结一下：管理某些东西我们要先描述他们的属性，在将它们放到一起组织起来（例如数据结构）。管理 == 先描述，再组织

为什么要有操作系统

再回到鼠标，我们现在准备完cs2，但感觉鼠标太快了，查看鼠标属性发现DPI是1200。现在要将DPI改成800，我们只需要将1200的选项改为800，操作系统就会对鼠标进行修改。这个过程中操作系统和鼠标的关系是管理者和被管理者，我们和操作系统的关系是甲方和乙方。我们作为甲方是不懂如何管理被管理者，所以需要一个人（操作系统）帮我们管理被管理者，我们就只需要拿到被管理者的属性，想修改才什么告诉乙方就行。

可是乙方也知道我们不懂管理，我们要是随便修改数据，乙方后面还怎么管理？数据已经乱了，此时乙方拿了份合同让我们签了，上面有对我们的限制，不让我们直接去操作系统修改数据，必须使用操作系统的调用接口才能让安排它做事。

这个系统调用接口就是操作系统给的一些函数，让我们使用函数来使用操作系统。这对于会c语言和了解系统的人还能使用，可那些不会的人就不能了，所以就有了用户部分。用户操作系统提供了shell外壳、lib（c/c++标准库）和部分指令，用户提供了指令操作mkdir、touch、ll等，还有我们熟悉的window的图形化界面。

总结一下：我们现在在来看操作系统，它在计算机中有着承上启下的作用，向下对软硬件资源进行管理（手段），向上为用户提供了一个良好（稳定的，安全的，高效的）的运行环境（目的）。

三、进程的概念

我们在使用window打开浏览器、微信等软件，其实就是在执行一个exe的可执行文件，执行文件时就会创建一个进程来控制程序的运行。

当我们结束到文件所对应的进程，执行的文件也将会不在执行。

在Linux中也是同理，当我们运行一个可执行程序，它就会生成进程。

ps -axj：查看进程

ps -ajx查看的进程过多，可以使用 | grep [文件] 搭配查看。

上面可以看到./test.exe确实在进程里，下面的test.exe是grap的进程，之前说过指令本身也是可执行文件，只要是可执行文件在执行时都会有进程。

刚刚也看到了进程是可以同时存在多个的，操作系统自然要对进程进行管理（先描述，再组织），那是在什么时候创建的进程呢？

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，这个集合就是PCB。课本上称之为PCB（process control block）。在Linux中PCB被称为tesk_struct,它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息.

我们上面已近了解了冯诺依曼体系，根据这个体系，要想运行程序，就要先将程序的数据和代码加载到内存当中再由，内存交给cpu让其计算。进程显然就是对这些程序的数据和代码进行处理，在它们加载到内存后，操作系统就要对它们进行管理，为每个程序创建一个PCB的结构体来描述，里面放着程序的所有属性，指向对应的代码和数据的指针，以及存放下一个进行的指针（假如用list来组织）。这时想让cpu运算哪个程序将它的PCB给cpu就可以了。

操作系统也是一款软件，它也要遵循冯诺一曼体系，电脑启动时就会加载到内存中，不过它是没有进程的。

总结一下：进程 == PCB+自己的代码和数据。Linux下就是tesk_struct+自己的代码和数据。

test_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

进程的删除和子进程的创建

删除

写一个死循环

Ctrl+c：在用户层面终止程序

kill -9 [pid]

pid就是标识符，是tesk_struct的一员用来描述本进程的唯一标示符，区别其他进程。在ps -ajx下可以看到。

运行程序，查看他的pid，ppid是他的父进程，每个进程都是由他的父进程创建的。

kill -9 22358，删除进程。

创建子进程

fork：创建一个子进程，当前程序是子进程就返回0，是父进程就返回子进程的pid.

getpid：查看当前进程的pid

getppid：查看当前进程的父进程pid

代码：

执行结果：

这个fork创建子进程会继承父进程从fork开始下面的所有代码，从上面的代码就可以看出，因为id值的不一样父子进程分别执行了不同结果的数据。

总结一下：fork创建的子进程是有自己的tesk_struct的（他有自己的pid），代码上是继承父进程fork以下包括fork那行的所有代码，数据上因为fork的返回值不同所以和父进程输出的结果是不一样的。

四、进程的状态

七种状态：

R：运行状态
S：浅度睡眠状态
D：深度睡眠状态
T/t：暂停状态
Z：退出状态
X：死亡状态

实验查看部分状态：

R：

代码：

查看运行test.c时进程的信息：

 while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep test.exe | grep -v grep; sleep 1; done

命令行执行上面的命令可以循环查看程序的进程，这里查看的是test.exe，修改test.exe就可以查看其他程序进程。

运行进程后cpu执行代码，它进入循环后一直在执行while，进程的PCB一直在cpu的队列中（每个cpu都有一个自己的队列，来让进程轮流调用cpu），这时这个进程就是R状态。+代表是前台运行，没有则是后台。

S:

代码：

运行时进程的信息：

这段代码使用了printf，cpu在执行printf时需要调用显示器的资源，进程在等待外设资源就绪时就是S状态。显示器是外设，外设的速度是比cpu慢许多的，所以在这进程运行的大部分时间都是在调用显示器资源，R状态只会停留很短的时间。

D:

D状态的场景是很难造的，这里就简单说明一下。

场景：一个进程在给磁盘写入1G的数据，这时操作系统发现内存严重不足，Linux操作系统有权杀掉进程来释放空间，它就将这个正在等待磁盘写入数据的进程杀掉了。磁盘写着写着数据发现进程没了，磁盘就不知道要怎么处理这些数据，可其他进程也要调用磁盘，磁盘就不会处理这些未写完的数据，这就造成了数据的丢失还暂用了空间。

操作系统为了解决这个问题就创建了D状态（深度睡眠，不可被系统杀掉），解除D状态只能等进程自己醒来（数据传完）或重启/断电。

T/t：

让进程暂停需要kill命令，kill是一个向进程发送信号的命令。

kill -l：查看所有信号

kill -19：暂停进程

kill -18：解除暂停

解除暂停后进程会成为后台进程，只能kill -9杀掉进程，Ctrl+c无法杀掉。

Z/X：

代码：

运行后杀掉子进程：

杀掉子进程发现子进程依旧存在，进入了Z状态。进程在被杀掉后会先清楚掉程序在内存中的代码和数据，test_struct不会被删除，它会生成退出信息等待父进程来读取，读取后再进入X状态清楚这个程序的test_struct。这个过程就像你让一个朋友帮你做了件事，他在做完后会告知你一声这件事完成的状态。

上图，杀掉子进程后，因为父进程在运行没有去读取子进程的退出信息，子进程就成了Z状态，这个进程也被称为僵尸进程。

僵尸进程的危害：当父进程死亡后，子进程变为僵尸进程就可能会一直存在，导致内存泄漏，因为没有父进程读取它。OS（操作系统）为了解决这个问题，就将没有父进程的子进程（也称孤儿进程）让1号进程（OS本身）领养。

在操作系统内部还细分了很多种状态：

这里只介绍运行、阻塞和阻塞挂起状态。

运行状态

运行状态就是R，只要进程进入cpu的队列中就是运行状态。上面查看S状态使用了while写了死循环，但cpu在跑进程时不可能因为遇到死循环就只跑这一个进程，所以这里的问题就是cpu是如何进行多个进程的同时调用？

时间片：进程的PCB内都有自己的调度信息，里面有个时间片，cpu会根据时间片让进程使用多长时间，时间到了重新进入queue排队。

但进程重新进入queue去调用cpu不可能让cpu从头再开始运行代码。这时就需要寄存器了，每个cpu内都有寄存器，用来存储进程调用cpu的状态，进程需要重新进入queue时，会保留上一次进入cpu结束时寄存器的内容，也就达到再次使用CPU可以延续上次使用状态的效果。（这是OS教材调度算法的一种，Linux不是这样调度的）。

CPU寄存器的信息也程为上下文数据，在进程的切换时最重要的就是保护上下文数据。要注意的是寄存器 != 寄存器内容，寄存器是硬件，寄存器内容是数据。