Linux | Linux进程万字全解：内核原理、进程状态转换、优先级调度策略与环境变量

目录

1、从计算机组成原理到冯诺依曼架构

计算机系统的组成

冯诺依曼体系

思考：为什么计算机不能直接设计为 输入设备-CPU运算-输出设备 的结构？

2、操作系统(Operator System)

概念

设计OS的目的

描述和组织被管理对象

3、进程

基本概念

进程id和父进程id

进程 ID (PID)：

父进程 ID (PPID)：

C语言利用系统调用接口获取PID、PPID：

进程描述-PCB进程控制块

task_struct内容分类

查看进程

简单的进程监控脚本

在C语言中通过系统调用fork函数创建进程

fork() 系统调用：

示例1：使用 fork() 创建新进程，并通过返回值区分父子进程

示例2：使用 fork() 创建新进程，并打印相关信息

4、进程状态

进程状态概览

僵尸状态(子进程结束却没被父进程回收)

形成僵尸进程的条件

僵尸进程的危害

示例代码：创建并观察僵尸进程

孤儿状态(父进程结束子进程还在)

孤儿进程的形成：

孤儿进程的处理：

示例：孤儿进程的形成和处理：

5、进程调度与优先级

基本概念

查看系统进程

PRI 和 NI

操作：在bash中通过pid调整特定进程优先级

6、环境变量：操作系统的隐秘力量

基本概念

常见环境变量

查看和设置环境变量

环境变量的组织方式

示例1：通过main函数参数获取

示例2：通过extern变量获取

示例3：通过getenv()和putenv()接口操作单个环境变量

环境变量和普通变量的区别：环境变量具有全局属性

Linux进程

在现代计算机系统中，Linux操作系统以其开源、灵活和强大的特性，成为服务器和嵌入式系统的首选。了解Linux的进程管理机制对于系统管理员和开发者来说至关重要。

1、从计算机组成原理到冯诺依曼架构

计算机系统的组成

计算机组成原理告诉我们，所有的计算机系统都由以下结构组成：

1. 输入设备：如键盘和鼠标，用于向计算机输入信息。
2. 中央处理器（CPU）：计算机的大脑，负责处理数据和执行命令。

CPU分为：运算器和控制器

运算器——算数运算、逻辑运算

控制器——响应外部事件、如拷贝磁盘数据到内存当中

     3. 存储器：内存（RAM）用于临时存储程序和数据。

     4. 输出设备：如显示器和打印机，用于展示信息和打印文档。

冯诺依曼体系

冯·诺依曼架构的最关键特点是程序指令和数据都存储在内存中，并且CPU可以直接访问内存来读取指令和数据。所有的输入和输出操作都是通过内存来进行的，即数据首先被写入内存，然后CPU从内存中读取数据进行处理，处理结果再写回内存，最后通过输出设备显示或打印出来。通俗的说，CPU大脑只和内存打交道，不和其它设备直接沟通。内存在冯诺依曼架构中充当中间件的作用。

笔记：我们常说的IO流是指内存和外设之间的通信！

思考：为什么计算机不能直接设计为 输入设备-CPU运算-输出设备 的结构？

其中一个原因是，计算机需要存储程序和数据。如果没有存储器，CPU将无法记住程序指令和处理的数据。但更本质的原因是CPU的运算速度远远超过大多数输入和输出设备，如果没有内存作为数据缓冲区，CPU在等待慢速的输入设备（如键盘或鼠标）提供数据或等待输出设备（如打印机或显示器）处理数据时，将会浪费大量计算资源。(CPU的执行过程也是流水线 木桶原理告诉我们 计算总时间取决于木桶的短板~)

2、操作系统(Operator System)

操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统中最基本的系统软件，它负责管理和控制计算机硬件和软件资源。操作系统在整个计算机软硬件架构中，定位为“管理”的软件，它处于应用软件和硬件之间的中间层，使用面向对象的思想，先描述资源，再管理资源，使得用户能够方便地使用计算机。

概念

操作系统是一组程序，它提供了计算机硬件和用户应用程序之间的接口。操作系统的主要功能包括：

• 内核：操作系统的核心部分，负责进程管理、内存管理、文件系统管理和设备驱动程序管理等。
• 其他程序：如函数库、Shell（命令行界面）、图形用户界面（GUI）等，这些程序为用户提供了与操作系统交互的接口。

设计OS的目的

1. 与硬件交互：操作系统是计算机硬件的直接管理者，它通过内核与硬件进行交互，实现对硬件资源的控制。
2. 管理软硬件资源：操作系统负责分配和管理CPU时间、内存、存储设备和输入输出设备等资源。
3. 提供执行环境：为用户程序（应用程序）提供执行所需的环境，包括文件系统、网络通信、安全机制等。

描述和组织被管理对象

• 硬件资源：CPU、内存、存储设备、输入输出设备等。
• 软件资源：用户程序、系统程序、库文件等。

3、进程

基本概念

• 课本概念：进程是程序的一个执行实例，是正在执行的程序。
• 内核观点：进程是分配系统资源（如CPU时间和内存）的实体。

进程id和父进程id

进程 ID（Process ID，PID）和父进程 ID（Parent Process ID，PPID）是操作系统中用于标识和管理进程的关键属性

进程 ID (PID)：

• 每个运行中的进程都有一个唯一的数字标识符，称为 PID。
• PID 是由操作系统分配的，用于区分系统中的每个进程。
• 它通常从1开始递增，但操作系统重启后会重置。
• 可以通过命令如 ps 来查看系统中所有进程的 PID。

父进程 ID (PPID)：

• 每个进程都有一个父进程，除了初始进程（通常 PID 为1 的进程，如 init 进程）。
• PPID 是指启动当前进程的父进程的 PID。
• 父进程可以控制子进程的执行，例如发送信号、终止子进程等。
• 当父进程终止时，子进程通常会被 init 进程接管，init 进程的 PID 通常为 1.

C语言利用系统调用接口获取PID、PPID：

• getpid()：这是一个系统调用，用于获取调用进程的 PID。
• getppid()：这也是一个系统调用，用于获取调用进程的父进程的 PID。

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

进程描述-PCB进程控制块

• PCB是存储进程信息的数据，结构进程的属性集合被存储在PCB中。
• 在Linux操作系统中，描述进程的结构体是task_struct。
• 在Linux内核源代码中，所有进程以task_struct双向链表的形式被组织起来

task_struct内容分类

• 标示符：进程的唯一标识符。
• 状态：包括任务状态、退出代码、退出信号等。
• 优先级：进程相对于其他进程的优先级。
• 程序计数器：指向程序中即将执行的下一条指令的地址。
• 内存指针：指向程序代码、进程数据以及共享内存的指针。
• 上下文数据：处理器寄存器中的数据，用于进程切换时保存和恢复状态。
• I/O状态信息：包括I/O请求、分配的I/O设备和使用的文件列表。
• 记账信息：可能包括处理器时间、使用的时钟数、时间限制和账号信息。
• other...

查看进程

• 目录/proc下存在进程的相关信息(进程产生时创建、销毁时删除，目录名为进程PID)，进程信息可以通过/proc系统文件夹查看，例如/proc/1包含PID为1的进程信息。
• 用户级工具如top和ps也可以用来获取进程信息。

简单的进程监控脚本

在ps axj | head -1 && ps axj | grep ...的基础上可以设计一个循环shell脚本，一秒钟查询一次进程状态。

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep ...; echo ""; sleep 1; done

在C语言中通过系统调用fork函数创建进程

fork() 是一个在 Unix 和类 Unix 操作系统中创建新进程的系统调用。它是进程创建的基础，并且是多任务和多线程编程中非常重要的一部分。

fork() 系统调用：

• fork() 创建一个新的进程，这个新进程是调用进程的一个副本。
• fork() 返回两次：一次在父进程中（返回子进程的 PID），一次在子进程中（返回 0）。
• 如果 fork() 调用失败，它会在父进程中返回 -1，并且设置全局变量 errno 以指示错误。
• fork() 之后，父进程和子进程将从 fork() 调用之后的代码点继续执行，这可能导致代码的重复执行。通常使用 if 语句来区分父进程和子进程的行为。
• 子进程继承了父进程的所有资源，但是它们拥有不同的 PID 和 PPID。
• 在使用 fork() 创建大量子进程时，需要考虑资源限制和僵尸进程问题(后续进程状态介绍)。

示例1：使用 fork() 创建新进程，并通过返回值区分父子进程

#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) { // 子进程printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);} else { // 父进程printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}sleep(1);return 0;
}

示例2：使用 fork() 创建新进程，并打印相关信息

#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;
}

4、进程状态

Linux 系统中的进程管理是操作系统的核心功能之一。Linux内核定义了多种进程状态，包括运行（R）、睡眠（S）、不可中断睡眠（D）、停止（T）、追踪停止（t）、死亡（X）和僵尸（Z）。

进程状态概览

在 Linux 内核中，进程（或称为任务）可以处于以下状态：

1. 运行状态 (R - Running)：
   • 进程正在使用 CPU，或者在 CPU 运行队列中等待被调度。
2. 睡眠状态 (S - Sleeping)：
   • 进程正在等待某个事件发生，如网络响应或文件 I/O 完成。这种睡眠是可中断的，进程可以被唤醒。
3. 磁盘休眠状态 (D - Disk Sleep)：
   • 进程正在进行 I/O 操作，如磁盘读写，但无法被中断。这种状态也称为不可中断睡眠状态。
4. 停止状态 (T - Stopped)：
   • 进程被 SIGSTOP 信号停止，通常用于调试或系统管理。进程可以通过 SIGCONT 信号恢复运行。
5. 追踪停止状态 (t - Tracing Stop)：
   • 进程因为某些原因被系统调用或工具追踪并停止，通常用于系统分析和监控。
6. 死亡状态 (X - Dead)：
   • 进程已经结束其执行，但尚未从进程表中完全移除。这是一个过渡状态，系统将很快回收其资源。
7. 僵尸状态 (Z - Zombie)：
   • 进程已经结束，但父进程尚未读取其退出状态。僵尸进程占用系统资源，尤其是进程 ID，直到父进程调用 wait() 或 waitpid() 函数。

/*
* 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 */
};

僵尸状态(子进程结束却没被父进程回收)

僵尸进程（Zombie Process）是 Linux 和类 Unix 系统中一种特殊的进程状态。在这种状态下，进程已经完成其执行，但它的进程描述符（PCB）仍然保留在系统中。这种状态的进程不占用 CPU 资源，但它们仍然占用一个进程 ID（PID）和其他一些资源。

形成僵尸进程的条件

1. 子进程退出：子进程完成其任务后调用 exit() 或者返回从 main() 函数，这会导致子进程退出。
2. 父进程未读取状态：如果父进程没有调用 wait() 或 waitpid() 来读取子进程的退出状态，子进程就会变成僵尸状态。

僵尸进程的危害

1. 占用进程 ID：僵尸进程继续占用一个进程 ID，这在系统资源有限的情况下可能是个问题。
2. 内存泄漏：虽然僵尸进程不占用 CPU 资源，但它们仍然保留在进程表中，进程表本质是一个结构体，也需要占用系统内存资源，造成了内存泄露

示例代码：创建并观察僵尸进程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t id = fork();if (id < 0) {perror("fork");return 1;} else if (id > 0) { // 父进程printf("Parent[%d] is sleeping...\n", getpid());sleep(30); // 父进程睡眠，不读取子进程状态，形成僵尸进程} else if(id == 0){ // 子进程printf("Child[%d] is beginning...\n", getpid());sleep(5);exit(0);}return 0;
}

• 程序开始时，父进程被创建。
• 父进程通过 fork() 创建子进程。
• 子进程打印开始消息，休眠5秒，然后退出。
• 父进程打印正在睡眠的消息，然后休眠30秒。由于父进程在sleep时间内不检查子进程的状态，子进程在退出后会变成僵尸进程。

孤儿状态(父进程结束子进程还在)

孤儿进程（Orphan Process）是其父进程已终止，但子进程仍在运行的进程。在类 Unix 系统中，孤儿进程会被 init 进程（通常是 PID 为 1 的进程）领养，并最终由 init 进程回收。

孤儿进程的形成：

1. 父进程退出：父进程由于某种原因（如正常退出、被终止等）而结束运行。
2. 子进程仍在运行：在父进程退出时，如果有任何子进程仍在运行，这些子进程就会变成孤儿进程。

孤儿进程的处理：

1. init 进程领养：系统会自动将孤儿进程的父进程设置为 init 进程（PID 为 1）。
2. 状态变更：孤儿进程在结束运行后，会进入僵尸状态（Zombie State），等待 init 进程读取其退出状态。
3. 资源回收：init 进程会周期性地检查并回收孤儿进程的资源，包括其进程描述符等。

示例：孤儿进程的形成和处理：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {pid_t pid = fork(); // 创建子进程if (pid < 0) {perror("fork failed");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process, PID: %d, PPID: %d\n", getpid(), getppid());// 子进程继续运行，模拟父进程退出后的场景sleep(10);} else {// 父进程退出，子进程成为孤儿进程printf("Parent process, PID: %d, exiting and leaving child orphaned.\n", getpid());sleep(3);_exit(0);}// 子进程代码不会被执行，因为父进程已经退出return 0;
}

在这个示例中，父进程创建了一个子进程，然后立即退出。这导致子进程成为孤儿进程。在实际系统中，init 进程会接管这个孤儿进程，并在其退出后回收资源。

5、进程调度与优先级

在 Linux 系统中，进程优先级决定了 CPU 资源的分配顺序。进程优先级可以通过nice值调整，nice值的范围是-20至19，nice值越小进程优先级越高。进程调度是操作系统的核心功能之一，它决定了进程执行的顺序。

基本概念

• 进程优先权（Priority）：决定了进程被 CPU 执行的先后顺序。优先权高的进程会优先获得 CPU 时间。
• 多任务环境：在多任务环境中，合理配置进程优先级可以显著改善系统性能。

查看系统进程

在 Linux 或 Unix 系统中，可以使用 ps -l 命令来查看系统进程列表。

输出将包括以下重要信息：

• UID：用户 ID，表示执行进程的用户身份。
• PID：进程 ID，是进程的唯一标识。
• PPID：父进程 ID，表示该进程是由哪个父进程创建的。
• PRI：进程的优先级。
• NI：nice 值，表示进程优先级的修正数值。

PRI 和 NI

• PRI：进程的原始优先级，数值越小表示优先级越高。
• NI：nice 值，用于调整进程的优先级。计算新的优先级公式为 PRI(new) = PRI(old) + NI。
• nice 值的范围：从 -20 到 19，共 40 个级别。正值表示降低进程优先级，负值表示提高进程优先级。

注意：nice 值不是进程的优先级，而是进程优先级允许调整的范围。可以将其视为对原始优先级的一个修正。通过调整 nice 值，可以控制进程的相对优先级，从而影响 CPU 资源的分配。

最终，操作系统根据PRI(new)的值，按从小到大的优先级执行。

操作：在bash中通过pid调整特定进程优先级

• 使用 top 命令可以动态查看进程优先级。
• 按 r 键来调整指定pid进程的 nice 值。

6、环境变量：操作系统的隐秘力量

引入：我们知道，在 Linux 系统中，确实“一切皆文件”，命令的本质是一个可执行程序（大部分是c语言编译而来的可执行程序），命令名其实就是文件名，命令可以不需要完整路径就能执行。例如：只需要输入ls命令就可以执行对应的程序，获取目录内的文件。但是，为什么我们自己写的程序必须要带完整的文件路径才可以执行（./main），而命令程序只需要文件名即可？这背后的原理涉及到 Linux 的文件系统和环境变量，尤其是 PATH 环境变量。

基本概念

环境变量为操作系统、系统上的应用程序和用户shell提供了一个传递配置信息的方法。它们可以告诉系统在哪里找到所需的文件，如何配置特定的程序，或者在shell中定义别名等。

常见环境变量

• PATH：定义了操作系统搜索可执行文件的目录顺序。例如，当你在终端输入一个命令时，系统会在PATH变量指定的目录中查找这个命令，发现相应文件就可以直接执行(相当于自动补全文件路径)。当我们把我们自己写的代码目录放入PATH环境变量之后，也能向命令一样只需要输入文件名即可执行。(相关的修改操作后半部分介绍~)

• HOME：指向用户的主目录。当你登录系统时，这是你的默认工作目录。
• SHELL：表示当前用户使用的shell类型，通常的值是/bin/bash。

查看和设置环境变量

• 查看环境变量：可以使用echo $NAME命令来打印特定的环境变量值，其中NAME是环境变量的名称。
• 设置环境变量：
  • 使用export命令创建或修改环境变量，如export PATH=$PATH:/new/directory/path。
  • 使用env命令可以查看所有当前的环境变量。
• 清除环境变量：使用unset命令可以删除一个环境变量。
• 显示所有本地变量：使用set命令可以显示当前shell会话中定义的所有本地变量和环境变量。

环境变量的组织方式

程序在运行时，main函数第三个参数(也是最后一个参数)会被转入一张环境变量表

示例1：通过main函数参数获取

#include<stdio.h>
int main(int argc, char* argv, char** env)
{int i = 0;while(env[i]){printf("env[%d]->%s\n",i,env[i]);i++;}return 0;
}

示例2：通过extern变量获取

#include <stdio.h>
int main()
{extern char **environ;int i = 0;for(; environ[i]; i++){printf("env[%d]->%s\n", i, environ[i]);}return 0;
}

示例3：通过getenv()和putenv()接口操作单个环境变量

getenv 和 putenv 是两种用于处理环境变量的函数，它们分别用于获取和设置环境变量的值。下面是对这两个函数的介绍，包括它们所属的头文件、函数原型、参数、返回值以及一些使用示例。

getenv

• 头文件：#include <stdlib.h>
• 函数原型：

char *getenv(const char *name);

• 参数：
  • name：一个指向以 null 结尾的字符串的指针，指定要查询的环境变量名称。
• 返回值：
  • 如果环境变量存在，返回指向该环境变量值的指针。
  • 如果环境变量不存在，返回 NULL。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {const char *homeDir = getenv("HOME");if (homeDir != NULL) {printf("The HOME environment variable is set to: %s\n", homeDir);} else {printf("The HOME environment variable is not set.\n");}return 0;
}

putenv

• 头文件：#include <stdlib.h>（在某些系统上可能需要 #include <unistd.h>）
• 函数原型：

int putenv(char *string);

• 参数：
  • string：一个指向以 null 结尾的字符串的指针，该字符串应该包含环境变量的名称和值，格式为 name=value。
• 返回值：
  • 成功时返回 0。
  • 失败时返回非零值。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main() {// 设置环境变量const char *envVar = "MY_VAR=value";if (putenv((char *)envVar) == 0) {printf("Environment variable set successfully.\n");} else {perror("Failed to set environment variable");}// 验证设置是否成功const char *value = getenv("MY_VAR");if (value != NULL) {printf("MY_VAR is now set to: %s\n", value);} else {printf("MY_VAR is not set.\n");}return 0;
}

• 使用 putenv 时，传入的字符串 string 必须以 name=value 的格式存在，并且 string 指向的内存在函数调用后不应被释放或修改，因为 putenv 可能会修改这个字符串。
• 在多线程环境中，使用 putenv 可能不是线程安全的。在这种情况下，可以考虑使用 setenv 和 unsetenv（如果可用），这些函数提供了线程安全的替代。
• 环境变量的更改通常只影响当前进程及其子进程，不会影响其他进程或父进程的环境变量。

环境变量和普通变量的区别：环境变量具有全局属性

环境变量具有全局属性，意味着它们可以在操作系统的不同进程之间共享。当一个程序运行时，它通常会从其父进程那里继承环境变量。这种继承机制允许程序访问由操作系统或其它程序设置的配置信息。

当你在命令行中设置一个环境变量，比如使用 export my_env ="lihongyu" 命令，实际上是在当前的shell会话中设置了这个变量。这个变量会立即在当前shell会话中可用，并且所有从这个shell启动的子进程也会继承这个变量。

如果你只设置环境变量而不使用 export 命令，比如 my_env="lihongyu"，那么这个变量只会在当前的shell会话中存在，而不会被子进程继承。这是因为只有通过 export 命令，变量才会被标记为可导出，从而被子进程继承。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{const char* env = getenv("my_env");if(env){printf("%s\n", env);}return 0;
}

一个简单的实验，发现环境变量的继承和普通变量的区别在于：

• 作用域：普通变量只在当前shell会话中有效，而环境变量可以跨会话和进程边界。
• 继承：环境变量可以被子进程继承，而普通变量则不能。
• 生命周期：普通变量的生命周期仅限于当前shell会话，环境变量则可以持续存在于操作系统中，直到被显式地修改或删除。