文章目录
- 1.本节重点
- 2. 冯诺依曼体系结构
- 3.操作系统(Operator System)
- 3.1 概念
- 3.2 设计OS的目的
- 3.3 定位
- 3.4 如何理解“管理”
- 3.5 总结
- 3.6 系统调用和库函数概念
- 3.7 承上启下
- 4. 进程
- 4.1 基本概念
- 4.2 描述进程——PCB
- 4.3 通过系统调用获取进程标示符
- 4.4 通过系统调用创建进程-fork初识
- 5.进程状态
- 5.1 看看Linux内核源代码怎么说
- 5.2 进程状态查看
- 5.3 Z(zombie)-僵尸进程
- 5.3.1 僵尸进程危害
- 5.3.2 进程状态总结
- 5.4 孤儿进程
- 6.进程优先级
- 6.1 基本概念
- 6.2 查看系统进程
- 6.3 PRI and NI
- 6.4 查看进程优先级的命令
1.本节重点
1.认识冯诺依曼系统
2.操作系统概念与定位
3.深入理解进程概念,了解PCB
4.学习进程状态,学会创建进程,掌握僵尸进程和孤儿进程,及其形成原因和危害
5.了解进程调度,Linux进程优先级,理解进程竞争性与独立性,理解并行与并发
6.理解环境变量,熟悉常见环境变量及相关指令,getenv/setenv函数
7.理解C内存空间分配规律,了解进程内存映像和应用程序区别,认识地址空间
8.选学Linux2.6 kernel,O(1)调度算法结构
2. 冯诺依曼体系结构
我们常见的计算机,如笔记本。我们不常见的计算机,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成的。
1.输入单元:包括键盘,鼠标,扫描仪,写板等;
2.中央处理器(CPU):含有运算器和控制器等;
3.输出单元:显示器,打印机等;
关于冯诺依曼,必须强调几点:
1.这里的存储器指的是内存;
2.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);
3.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;
4.一句话,所有设备都只能直接和内存打交道。
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,从你登陆上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,到他的消息之后的流动过程。如果是在QQ上发送文件呢?
3.操作系统(Operator System)
3.1 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:
1.内核(进程管理,驱动管理,文件管理,内存管理);
2.其他程序(例如函数库,shell程序等等)。
3.2 设计OS的目的
1.与硬件交互,管理所有的软硬件资源;
2.为用户程序(应用程序)提供一个良好的执行环境。
3.3 定位
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”。
3.4 如何理解“管理”
1.管理的例子
2.描述管理对象
3.组织管理对象
3.5 总结
计算机管理硬件
1.先描述起来,用struct结构体;
2.再组织起来,用链表或其他高效的数据结构。
3.6 系统调用和库函数概念
1.在开发角度,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。
2.系统调用在使用上,功能比较基础,对用户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封装,从而形成库,有了库,就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。
3.7 承上启下
那在还没有学习进程之前,操作系统是怎么进行进程管理的呢?
很简单,先把进程描述起来,再把进程组织起来!
4. 进程
4.1 基本概念
1.课本概念:程序的一个执行实例,正在执行的程序等;
2.内核观点:担当分配系统资源的实体(CPU时间,内存)等。
4.2 描述进程——PCB
1.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;
2.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
1.在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。
2.task_struct是Linux内核的一种数据结构,它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。
task_struct内容分类
1.标示符:描述进程的唯一标示符,用来区别其他进程;
2.状态:任务状态,退出代码,退出信号等;
3.优先级:相对于其他进程的优先级;
4.程序计数器:程序中即将被执行的下一条指令的地址;
5.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;
6.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);
7.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;
8.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,记帐号等;
9.其他信息。
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。
查看进程
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。
大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{while(1){sleep(1);}return 0;
}
4.3 通过系统调用获取进程标示符
1.进程id(PID)
2.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;
}
4.4 通过系统调用创建进程-fork初识
1.运行 man fork 认识 fork 。
2.fork 有两个返回值
3.父子进程代码共享,数据各自开辟空间,私有一份(采用写时拷贝)
#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){ //childprintf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}else{ //fatherprintf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}sleep(1);return 0;
}
5.进程状态
5.1 看看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)。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 */
};
1.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。
2.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))。
3.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。
4.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。
5.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。
5.2 进程状态查看
ps aux / ps axj 命令
5.3 Z(zombie)-僵尸进程
1.僵死状态(Zombils)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。
2.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。
3.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){ //parentprintf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());sleep(30);}else{printf("chile[%d] is begin Z...\n", getpid());sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}
5.3.1 僵尸进程危害
1.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!
2.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!
3.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中定义一个结构变量(对象),是要在内存的某个位置进行开辟空间!
4.内存泄漏?是的!
5.如何避免?之后总结。
5.3.2 进程状态总结
至此,值得关注的进程状态全部讲解完成,下面来认识另一种进程。
5.4 孤儿进程
1.父进程如果提前退出,那么子进程后退出,进入Z之后,那该如可处理呢?
2.父进程先退出,子进程就称之为“孤儿进程”
3.孤儿进程被1号init进程领养,当然要有init进程回收喽。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id == 0){//childprintf("I am child, pid : %d\n", getpid());sleep(10);}else{//parentprintf("I am parent, pid: %d\n", getpid());sleep(3);exit(0);}return 0;
}
6.进程优先级
6.1 基本概念
1.CPU资源分配的先后顺序,就是指进程的优先级(priority)。
2.优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对任务环境的linux很有用,可以改善系统性能。
3.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。
6.2 查看系统进程
在linux或者unix系统中,用ps -l命令则会类似输出以下几个内容:
我们很容易注意到其中的几个重要信息,有下:
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
6.3 PRI and NI
1.PRI也还是比较好理解的,即进程的优先级,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。
2.那NI呢?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。
3.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)+nice
4.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。
5.所以,调整进程优先级,在Linux下,就是调整进程nice值。
6.nice其取值范围是-20至19,一共40个级别。
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
6.4 查看进程优先级的命令
用top命令更改已存在进程的nice:
1.top
2.进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值
其他概念
1.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
2.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
3.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
4.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