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操作系统：进程1

news 来源：原创 2024/9/20 22:38:48

一.进程

1.什么是进程

一个进程创建，他会生成几块：

代码段：进程执行的程序代码
数据段：全局变量，静态变量，在进程生命周期中是动态可变的
堆：动态分配的内存区域，malloc、calloc、realloc等函数进行开辟
栈：用于存储局部变量、函数参数和返回地址
PCB进程控制块：包含进程ID(PID)，进程状态，程序计数器(吓一条指令的位置),进程优先级等等

进程是资源分配和调度的基本单位

进程是资源分配的最小单位

线程是最小的调度单位

2.进程中的三态模型

阻塞态：这个进程需要相应的资源，而现在需要等待相应的资源，那么这个进程就进入到阻塞态，CPU会将这个进程给拿下CPU，去执行就绪在就绪队列中的第一个进程。
就绪态：一个进程需要运行，并且他所有的需求都满足了，就等待CPU去执行，那么这个进程会在这个就绪队列中进行排队，等待CPU的调度执行
运行态：这个进程在CPU上执行

挂起

挂起：在挂起这个进程时，会将这些运行在内存上的内容给写入到磁盘中或交换区中，然后释放内存，在记录上下文(记录上下文的作用就是，为了让你回到在你挂起这个进程前那个状态，和玩游戏存档的意思差不多)
唤醒：将刚刚写入到磁盘的内容，又写入到内存中，到达就绪态，等待操作系统的调度

进程详细的五态

对于3态模型，只多了创建态和终止态。

3.进程的控制

如何实现的原子性？

在原语时，执行关中断指令，将中断关闭掉，这样CPU就不会中断这个原语的执行，在执行完成原语后，执行开中断指令，将中断打开。这样就实现了原语的原子性，在执行原语的过程中就不会被中断。

4.调度的基本概念

        为什么需要了解如何进行调度？

        当有一堆任务需要处理，但由于资源有限，这些事情没有同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是”调度“研究”的问题

        能否进行调度切换进程的情况：

进行切换是有代价的，如果过度频繁进行调度、切换，会使系统的效率降低。

调度算法：

1.时间片轮转算法

给每个进入到就绪队列中的进程分配一个时间片，这个时间片的大小需要写程序的我们来决定，不能太短，也不能太长。然后每个程序在CPU上执行的时间就是时间片的大小，如果执行完成可以先退出然后让出CPU，如果没有在时间片规定的时间完成，那么也要让出CPU让就绪队列中下一个进程进行执行，然后让出CPU后又到就绪队列中进行排队，等待下一次的CPU调度执行。

2.优先级调度算法

优先级调度算法分为：

静态：进程在创建时就确定了优先级，这个进程在生命周期中优先级不会改变
动态：在创建时确定了一个优先级，在生命周期的过程中，操作系统会通过规定进行对应的优先级改变

3.多级反馈队列调度算法

特点：进程可以在不同优先级队列之间移动。新进程进入高优先级队列，如果未能在规定时间完成则降级。
优点：兼顾响应时间和吞吐量，适应性强。
缺点：配置参数（如队列数量、时间片等）复杂。

4.短作业优先

特点：优先调度运行时间最短的进程。
优点：可以最小化平均等待时间。
缺点：难以准确预测每个进程的运行时间；可能导致长作业得不到及时处理（即“饥饿”）。

5.最短剩余时间优先

特点：是SJF的抢占式版本。每次调度时选择剩余执行时间最短的进程。
优点：可以进一步减少平均等待时间。
缺点：和SJF一样，难以预测执行时间，并且会导致频繁的上下文切换。

对比短作业优先就是，假如P1进程需要执行时间是10s，P2执行时间是20S，现在执行P1已近5s了，来了一个新进程P3执行是减是3S，那么CPU会将P1给拿下放入到就绪队列中，来执行P3。短作业优先就是P1执行完成了才执行P3

6.先来先服务

特点：按进程到达就绪队列的顺序进行调度，先到达的进程先调度。
优点：简单易实现。
缺点：可能导致“等待时间长”的问题（即“队头阻塞”）。

5.进程拷贝

进程拷贝时，他们会共享物理内存页面，但是这些内存页面现在是只读的。

其中一个进程需要堆这个内存页面进行写入时，那么就会创建该内存页的副本，然后给该进程附上可写的权限。

这样可以节省系统资源，防止创建一个子进程就立刻复制整个地址空间，减少不必要的空间。

6.创建进程

fork函数
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>pid_t fork(void);
fork函数创建子进程的关键点：

共享资源：子进程继承了父进程的大部分资源，包括打开的文件描述符、环境变量、优先级、控制终端等。
独立地址空间：虽然子进程最初共享父进程的地址空间，但它们有独立的地址空间，修改内存不会影响对方。
执行路径：fork() 返回值用于区分父子进程。子进程返回 0，父进程返回子进程的 PID。
进程调度：子进程和父进程是并行执行的，具体谁先执行由操作系统调度决定。

例子：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main() {int n;//创建子进程pid_t child_pid = fork();if (child_pid < 0) {perror("fork");exit(1);}//当child_pid为04时说明是子进程if (child_pid == 0) {n = 6;while (n > 0) {printf("child self = %d, parent = %d\n", getpid(), getppid());n--;}} //不为0说明是父进程else {n = 3;while (n > 0) {printf("parent self = %d, parent = %d\n", getpid(), getppid());n--;}}return 0;
}
你会发现每次输出的结果都是不一样的。

孤儿进程

那么像这种情况就是父进程先执行完成了，子进程还在执行，但是没有父进程为子进程收尸(回收资源)，那么这个子进程就叫做孤儿进程，那么谁会为他收尸呢，也就是我们系统最初的那个进程0号进程。也叫做init进程(或者现代系统的systemd)接管，我们也可以称它为孤儿院。

僵尸进程

当一个进程终止后，其父进程还没有读取它的退出状态，这个进程就被称为僵尸进程。

如何处理我们调用wait()或者waitpid()来读取子进程的状态，来等待子进程的退出状态，这样就可以为子进程进行收尸。

wait和waitpid()
pid_t wait(int *status);pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
wait:

功能：wait 阻塞调用进程，直到其某个子进程终止。如果一个子进程已经终止，那么 wait 会立即返回。
参数：status 是一个指向整数的指针，用于存储子进程的退出状态。如果 status 是 NULL，则退出状态会被丢弃。
返回值：返回终止的子进程的进程 ID。如果调用出错（例如，没有子进程），则返回 -1 并设置 errno。

waitpid:

功能：waitpid 提供了比 wait 更细粒度的控制，允许父进程等待特定的子进程终止，或者以非阻塞方式等待。
参数：
pid：指定要等待的子进程 ID。如果 pid 为 -1，则等待任何子进程（等同于 wait）。
status：同 wait，用于存储子进程的退出状态。
options：提供额外的选项控制，如 WNOHANG（非阻塞方式）和 WUNTRACED（也会返回已停止的子进程）。
返回值：成功时返回子进程的 PID，失败时返回 -1 并设置 errno。

如何获取退出状态，可以在Linux系统中的man手册查看。

接着上面那个例子来进行优化：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <wait.h>int main() {int n;int state;//创建子进程//在子进程中child_pid 为0//父进程为fork的返回值pid_t child_pid = fork();if (child_pid < 0) {perror("fork");exit(1);}//当child_pid为04时说明是子进程if (child_pid == 0) {n = 6;while (n > 0) {printf("child self = %d, parent = %d\n", getpid(), getppid());n--;}} //不为0说明是父进程else {n = 3;while (n > 0) {printf("parent self = %d, parent = %d\n", getpid(), getppid());n--;}int ret = wait(&state);if (ret < 0) {perror("wait error");exit(1);}//看通过stata判断子进程是否正常退出if (WIFEXITED(state)) {//正常退出输出子进程PID和退出状态printf("child process %d is sucess exit %d\n", child_pid, WEXITSTATUS(state));} else {//不正常输出子进程PIDprintf("child process %d is not sucess exit\n", child_pid);}}return 0;
}