Linux进程详解 【Linux由基础到进阶】_linux 进程

进程的概念：

进程：处于执行期的程序和它包含的资源的总合。

在现代操作系统中，进程提供两种虚拟机制：虚拟处理器和虚拟内存。

虚拟处理器:

实际上许多进程在共享处理器，而虚拟处理器可以给每个进程一种假象，自己在独享在独享处理器。

虚拟内存：

虚拟内存让每个进程在获取和使用内存资源时，让自己觉得自己拥有整个内存资源。

进程的产生

在现代Linux系统中，通常是调用fork()系统调用。
该系统调用通过复制一个现有进程来创建一个全新的进程，
调用fork()的通常称为父进程，新产生的进程称为子进程，
在调用结束后，在返回点这个地方，父进程恢复执行，子进程开始执行。通常创建新进程都是为了执行新的不同的程序，接着调用exec*()这族函数就可以创建新的地址空间，把新程序载入。
最终，程序通过exit()系统调用退出执行，这个函数会终结进程并将其占用的资源释放掉，进程可以通过wait4()系统调用查询子进程是否终结，这使得进程拥有了等待特定进程执行结束的能力，进程在退出执行后被设置成僵死状态，直到它的父进程调用wait()或者是waitpid()为止。

进程的管理

进程描述符

内核通过一个双向链表来管理进程，链表的每一项都是类型为task_struct(进程描述符)
下面为Liunx的源码中关于task_struct的结构

分配进程描述符

Linux通过slab分配器分配task_struct结构，这样就能达到对象复用和缓存着色的问题。

进程描述符的存放

内核通过一个唯一的标识符PID来标识每个进程，PID是一个数，表示为pid_t隐含类型（实际为Int类型）

为了和老版的Linux和Unix兼容，

 PID默认的最大值为32768（short Int 的最大值）
 这个就是系统内允许同时存在的最大进程数。
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但是大型服务器可能需要更多进程， 系统管理员可以通过

 /proc/sys/kernel/pid_max
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来设置上限

在内核中，访问任务通常需要获得其指的task_struct指针，实际上，内核中的大部分处理进程的代码都是通过task_struct进行的，因此，通过current宏（一个全局变量，存的是当前PCB的地址）查找到当前正在运行进程的进程描述符的速度就尤为重要。
硬件体系不同，该宏的实现也不同。
当寄存器比较富余的硬件体系结构，就可以拿专门的寄存器来存放指向当前进程的task_struct指针。
而像x86这样的体系，只能在内核栈的尾端创建thread_info结构，通过通过计算偏移间接的查找task_struct结构

进程的状态

ps ax 查看进程状态

各状态符的含义

设置进程状态

内核通常要调整某个进程的状态，通常由这个函数完成

 set_task_state(task,state);  /*将任务 'task’的状态设置为 'state'* /
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进程上下文

可执行代码是进程的重要部分，这些代码从可执行文件载入到进程的地址空间中执行，一般程序在用户空间中执行，当一个程序执行了系统调用或者触发了某个异常，它就陷入了内核空间，此时，我们称内核“代表进程执行”并处于进程上下文中。

系统调用与库函数的区别

系统在用户空间进程和硬件设备之间添加了一个中间层（系统调用），为了和用户空间上运行的进程进行交互，内核提供了一组接口，通过该接口，应用程序可以访问硬件设备和其他操作系统资源，这组接口就像一个使者，传递着应用程序的请求，而内核满足该请求。

那为什么要有这个中间层呐？

 1.  它为用户空间提供了一种硬件的抽象接口
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当需要对硬件进行操作时，就可以不用管磁盘的类型和介质，如果说要操作一个文件的话，就不用管该文件所在的文件系统是那种类型。

 2.系统调用保证了系统的稳定和安全
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有了中间层的话，就可以避免应用程序不正确的使用硬件设备，窃取其他进程的资源，或做出危害系统的事情。

 3.每个进程都运行在虚拟空间中，如果没有这个中间层的话，应用程序可以随意访问硬件而内核又对此一无所知的话，就没办法实现多任务和虚拟内存。
 4.系统调用开销大，效率低。
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每次在执行系统调用时，Linux必须从运行用户代码切换到内核代码，然后再返回用户代码，我们通常的办法是，尽量减少系统调用，并且让每次系统调用执行更多的工作，了例如每次读写大量的数据，而不是一俩个数据。

库函数：如printf strlen等，
有些库函数是需要系统调用来实现的
如：printf （底层调用了系统调用write()）
有些库函数是不需要系统调用来实现的
如：strlen （这个程序员自己就能实现）

下面的图就是库函数，系统调用，内核，硬件的关系。

库函数通过调用系统调用来通知内核对硬件进行一些操作。

进程家族树

Linux系统的进程之间存在一个很明显的继承关系，所有的进程都是PID为1的init进程的后代，内核在系统启动的最后阶段启动init进程该进程读取系统的初始化脚本并执行其他的相关程序，最终完成系统启动的整个过程。
系统的每一个进程必有一个父进程，相应的，每个进程都拥有零个或多个子进程，拥有相同父进程的进程互称为兄弟。

在Linux中，所有命令的父进程都是bash，

我们执行两次ps -f 我们发现两次ps的进程的父进程都是2460,而2460为bash的进程号。

在执行命令时，bash先复制自己，生成子bash，然后再对其进行替换，生成新进程ps。

进程创建

总述：Liunx进程创建与其他操作系统不同，其他操作系统都提供了产生进程的机制，而Linux把上述步骤分解到两个单独的函数中执行

   1. fork
   2. exec()族函数 （execve(),execlp(),execle(),execv(),execvp()）
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fork通过当前进程创建一个子进程，子进程与父进程的区别仅仅在于PID(进程号)，PPID（父进程号），某些资源和统计量（例如挂起的信号，等等）
exec()函数负责读取可执行文件并将其载入地址空间并开始运行。

写时拷贝技术

：一种推迟复制甚至免除拷贝的技术
当子进程进行复制时，子进程并不复制父进程的全部空间，而是与父进程共享一块空间，只要在需要写入时，数据才会被复制。

只有当子进程要修改内容时，才会给要修改的该页重新分配一页，但此时 4，8页都是子进程公用父进程的

为什么要有写时拷贝技术呐？

我们之前说过，进程的创建分为两步，第一步是复制进程，第二步是对其进行替换。
因为在复制的时候，谁也不知道复制出来的进程是直接使用还是要用来替换。
假如说要用来替换的话，那么之前刚刚费劲千辛万苦复制的父进程的资源，现在又直接要进行释放，那么这不是很可惜吗？所以我们可以通过这种技术，来避免这种资源的消耗。
而假如说是要直接使用的话，那么子进程和父进程同时共享一块空间，那么这样也不是节省了空间的使用吗？

复制进程的过程

fork(),vfork(),_clone()都是直接调用调用do_fork() (随着Linux版本的迭代，具体的实现也会变化)

1 ：调用get_pid为新进程获取一个pid

 假如说先执行其他的，而最后连pid都获取不了，那之前的操作不就什么意义都没有
 了吗？
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2：调用dup_task_strut()为新进程创建一个内核栈，thread_info结构和task_struct

 这些值与当前进程值相同，此时，子进程与父进程的描述符是完全相同的。
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3：检查新创建的这个子进程，当前用户所拥有进程数有没有超过限制
4：子进程中进程描述符中的许多成员被置为初始值(为了与父进程区分开)
5：子进程的状态被设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE

 保证该进程不会运行，因为此时进程还没有创建完
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6：copy_process()调用copy_flags()以更新task_struct的flags成员。表明进程是否拥有超级用户权限的PF_SUPERPRIV标志被清0。表明进程还没有调用exec()函数的PF_FORKNOEXEC标志被设置。

7：根据传递给clone()的参数标志，copy_process()拷贝或共享打开的文件、文件系统信息、信号处理函数、进程地址空间和命名空间等。

8：父进程与子进程平分剩余的时间片
9：回到do_fork函数，如果copy_process（）成功返回，新创建的子进程被唤醒并投入运行，一般子进程都会马上调用exec()函数，防止父进程写入从而写时拷贝造成额外开销。

进程的结束

进程的结束一般在它调用exit()之后（显示调用），从某个函数的主程序返回后会隐式的调用exit()

该终结过程大多由do_exit()实现

1：首先，将task_struct中的标志成员设置为PF_EXITING。
2：其次，调用del_timer_sync()删除任一内核定时器。根据返回的结果，它确保
没有定时器在排队，也没有定时器处理程序在运行。
3：如果BSD的进程计账功能是开启的，do_exit()调用acct_process()来输出计账
信息。
4：然后调用_exit_mm()函数放弃进程占用的mm_struct，如果没有别的进程使用它
们(也就是说，它们没被共享)，就彻底释放它们。
5：接下来调用exit__sem()函数。如果进程排队等候IPC信号，它则离开队列。
6：调用_exit_files()、_exit_fs()、exit_namespace()和exit_sighand()，以
分别递减文件描述符、文件系统数据，进程名字空间和信号处理函数的引用计数。如果其中某些引用计数的数值降为零，那么就代表没有进程在使用相应的资源，此时可以释放。
7：接着把存放在task_struct的exit_code成员中的任务退出代码置为exit()提供
的代码中，或者去完成任何其他由内核机制规定的退出动作。退出代码存放在这里供
父进程随时检索
8：调用exit_notify()向父进程发送信号，将子进程的父进程重新设置为线程组中
的其他线程或init进程,并把进程状态设成TASK_ZOMBIE。
9：·最后，do_exit()调用schedule()切换到其他进程（参看第4章)。因为处于
TASK_ZOMBIE状态的进程不会再被调度,所以这是进程所执行的最后一段代码。
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僵死进程

链接: 请跳转这篇博客，我在这篇博客中讲了