Linux 基础：冯诺依曼架构与进程管理

组织进程

PCB 在内核中使用双链表进程链接起来。

查看进程

通过 top 和 ps 这些用户工具来获取进程信息。

• top: top -p <pid>
• ps: ps axj

通过 /proc 系统文件夹来查看。

通过系统调用获取进程标识符

• 获取进程 ID（PID）：getpid()
• 父进程 ID（PPID）：getppid()

通过手册查看相关系统调用：man 2 getpid

通过系统调用 fork 创建子进程

通过 fork 创建的子进程和父进程共享同一份代码，但数据是各自私有的（写时拷贝）。其中 pid_t 的类型其实是一个有符号整数类型。当 fork() 返回值为 0 时表示子进程，返回值大于 0 时表示父进程。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    int val = 0;
    pid_t id = fork();
    if (id == 0) // 表示子进程
    {
        while (1) {
            printf("我是子进程，pid: %d ,ppid: %d, val = %d\n", getpid(), getppid(), val++);
            sleep(1);
        }
    } else // 父进程
    {
        while (1) {
            printf("我是父进程，pid: %d ,ppid: %d, val = %d\n", getpid(), getppid(), val);
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

可以看到父进程和子进程的 val 的值并不是一样的，说明父子进程不共享同一份数据。

四、进程状态

进程状态有很多种：

• R 运行状态：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么在运行中，要么在运行队列中（就绪状态）。
• S 睡眠状态：意味着进程在等待事件完成（可中断睡眠）。注意，如果进程大部分时间在 IO 交互，IO 时间很慢，通常显示为 S+（前台进程），而非 R 状态。
  • 示例命令：while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep code | grep -v grep; sleep 1; done
• D 磁盘休眠状态：不可中断状态（不会响应信号），在此状态等待 IO 结束。
• X 死亡状态：瞬时状态，不会在任务列表中看到。
• Z 僵死状态：当进程退出并且父进程没有读到子进程返回的退出码时，子进程处于僵死状态。它会一直等待父进程读取退出状态代码。
• T 停止状态：可以通过发送 SIGSTOP 信号来停止进程，通过发送 SIGCONT 信号让进程继续执行。

僵死状态危害

每创建一个子进程就需要一个 PCB，如果父进程创建了很多子进程而没有回收，会造成内存资源浪费。

五、孤儿进程

父进程如果提前退出，子进程就会变成孤儿进程，孤儿进程会被 1 号 init 进程（操作系统启动后第一个运行的用户空间程序）收养。

六、进程优先级

基本概念

• CPU 资源分配的先后顺序，就是进程的优先权。
• 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，即父进程的代号。
• 普通优先级：100 ~ 139。
• 实时优先级：0 ~ 99。
• 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（修正优先级数值）。

优先级高的进程有优先执行权利。

公式：PRI(new) = PRI(default=80) + nice

更改进程 nice 值

通过更改进程 nice 来改变进程优先级。用 top 命令来改变进程 nice 值：

1. 进入 top 后按 "r" -> 输入进程 PID -> 输入 nice 值。

七、进程竞争、独立、并行、并发

1. 竞争：本质是僧多粥少，系统进程数目众多，而 CPU 资源只有少量，所以进程之间具有竞争属性。为了更高效完成任务，有了优先级机制。
2. 独立：多进程运行时独享各种资源，互不干扰。线程挂掉可能影响进程，但进程挂掉不影响其他进程。
3. 并行：多个进程在多个 CPU 下同时进行运行。
4. 并发：多个进程在同一个 CPU 资源下采用进程切换的方式，在同一段时间之内，让多个进程都得以推进。

八、进程切换

在多任务操作系统中，多个进程共享有限的 CPU 资源。操作系统需要在这些进程之间切换 CPU 的控制权。

触发情况

1. 时间片用完：在时间片轮转调度算法中，当一个进程的时间片用完时，切换到另一个进程。
2. 进程阻塞：进程因等待 I/O 操作（如磁盘读写、网络通信）而阻塞时，切换到另一个就绪进程。
3. 更高优先级进程就绪：更高优先级的进程进入就绪队列时，可能抢占当前运行进程。
4. 系统调用或中断：进程执行系统调用或发生中断时，可能触发进程切换。

进程切换的过程

1. 保存当前进程的上下文：保存 CPU 寄存器值、进程状态、内存映射信息、I/O 状态等。这些信息保存在 PCB 或内核栈中。
2. 更新进程状态：将当前进程从'运行状态'改为'就绪状态'或'阻塞状态'。
3. 选择下一个要运行的进程：调度器根据算法从就绪队列中选择进程。
4. 恢复新进程的上下文：从新进程的 PCB 或内核栈恢复寄存器值、内存映射信息等。
5. 将 CPU 控制权交给新进程：新进程从上次被中断的地方继续执行。

进程切换的开销

进程切换涉及大量的上下文保存和恢复工作，开销包括寄存器保存恢复、内存映射切换、调度器开销、缓存失效等。因此操作系统会尽量减少不必要的进程切换。

九、Linux 2.6 内核进程 O(1) 调度队列

参考 Linux 源码：https://elixir.bootlin.com/linux/v6.13.6/source 或 https://www.kernel.org/。

调度队列结构

1. 活动队列（array[0]）：
   • 时间片还没有结束的进程按照优先级放在该队列。
   • nr_active：总共有多少个运行的进程。
   • queue[140]：一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照 FIFO 规则排队，数组下标即为优先级。
   • bitmap[5]：用位图提高非空队列查找效率，5 个整形占 160 个 bit 位来表示队列是否为空。
2. 过期队列：
   • 过期队列上的进程都是时间片耗尽之后的进程。
   • 活动队列上的进程都被处理完毕以后，就会对过期队列的进程进行时间片重新计算。
3. active 和 expired 指针：
   • active 指针永远指向活动队列。
   • expired 指针永远指向过期队列。
   • 交换指针内容 swap(&active, &expired)，活动队列就又有了一批新的活动进程。