第一章进程的知识

多任务处理是指在同一时间内运行多个应用程序，每个应用程序称为一个任务。Linux 作为支持多任务的操作系统，通过调度策略实现任务的并发执行。实际上，单核处理器每次只能执行一个任务，每个任务有一个时间片，时间片用完后，操作系统切换到其他任务。这种快速切换给用户带来多个任务同时运行的体验。多任务系统中有三个基本概念：任务、进程和线程。

1.1 多任务机制的介绍

任务是一个逻辑概念，指为实现某个目的而进行的一系列操作。通常，任务是程序的一次运行，包含一个或多个独立的子任务，这些子任务可以是进程或线程。
结构如图所示

1.2 进程的介绍

进程是程序的一次执行过程。每当一个程序被执行时，操作系统会创建一个对应的进程。进程是操作系统中资源分配的基本单位，例如分配的内存空间（用户空间为 0-3GB）。每个进程都有独立的内存空间、文件描述符表和缓冲区。进程可以看作是程序在执行期间的一个示例。

2.2.1 进程的分类

交互进程
交互进程是指与用户直接交互的进程，用户可以通过键盘、鼠标、终端等设备与这些进程进行实时交互。典型的交互进程包括终端窗口中的命令行程序、图形界面应用程序等。交互进程通常运行在前台，用户可以直接看到和操作这些进程。

批处理进程
批处理进程是指无需用户干预，自动按照预定顺序依次执行的一组任务。批处理进程通常在后台运行，用于执行大量重复的任务，如定期备份、数据处理等。批处理进程可以在特定时间启动，执行完任务后自动退出，适合处理对时间要求不高、可集中处理的任务。

守护进程
守护进程（Daemon）是一种在后台运行的特殊进程，它不与用户直接交互，通常在系统启动时加载并持续运行，提供系统级别的服务。守护进程通常负责处理系统服务、日志记录、任务调度等工作。常见的守护进程包括 sshd（用于远程连接）、crond（用于定时任务）等。

这三类进程在操作系统中具有不同的作用和特点，交互进程用于实时响应用户操作，批处理进程用于自动化处理任务，守护进程则是维持系统稳定运行的重要后台服务。

进程的组成

2.2.2 进程的结构

在 Linux 中，进程的结构由一个称为 task_struct 的数据结构来表示，它包含了与进程相关的几乎所有信息。这个结构体定义在内核源码的 include/linux/sched.h 文件中。

如何查看进程
方法一：使用PS 命令
方法二：查看/proc目录

cat /proc/1/status
#

方法三：阅读 Linux源码

路径 /usr/include/sched.h === >> 进程信息结构体

你对进程状态的描述总体是正确的，但有些地方可以进一步精简和调整，使内容更加清晰和逻辑流畅。以下是优化后的版本：

2.2.3 进程的状态

在 Linux 中，进程的状态通常可以从两个不同的层次进行描述：基本状态和生命周期中的状态。

基本状态：这是操作系统在进程调度中使用的核心状态，主要描述进程在调度过程中可能经历的关键状态。
生命周期中的状态：这是对进程在实际运行中的具体行为进行更细化的状态描述。

基本状态

基本状态包括：

就绪态（Ready）：
进程已具备运行条件，==等待被调度器分配 CPU==。此状态下，进程没有在运行，但一旦分配到 CPU 资源，就可以立即执行。
运行态（Running）：
进程正在使用 CPU 运行。只有处于运行态的进程真正占用了 CPU 执行指令。
阻塞态（Blocked/Waiting）：
进程由于等待某个事件（如 I/O 完成、资源可用等）而无法继续执行，被挂起。阻塞态的进程在等待事件发生时不占用 CPU。
创建态（New）：
进程正在被创建，操作系统为其分配必要的资源，但尚未进入就绪状态。
终止态（Terminated/Exit）：
进程执行完毕或被强制终止，进入结束状态，系统会回收进程占用的资源。

进程状态_2

生命周期状态

生命周期中的状态更细致地描述了进程在不同任务中的具体表现，包括：

运行（Running or Runnable, R）：
进程正在运行或准备运行。此状态下的进程正在使用 CPU，或处于就绪队列中，等待被调度。
可中断睡眠（Interruptible Sleep, S）：
进程正在等待某个条件（如 I/O 操作）的完成，可以被信号打断并唤醒。
不可中断睡眠（Uninterruptible Sleep, D）：
进程正在等待一个不会被信号打断的事件（通常是设备 I/O 操作），如等待磁盘操作完成。此状态下的进程无法响应外部信号。
暂停（Stopped, T）：
进程由于接收到特定信号（如 SIGSTOP、SIGTSTP）而暂停运行。此状态下，进程不会继续执行，直到收到继续运行的信号（如 SIGCONT）。
僵尸（Zombie, Z）：
进程已终止，但其父进程尚未回收它的退出状态信息。僵尸进程仍然占用进程表的一个条目，但它不再占用其他资源。
结束（Dead or Exit, X）：
进程已经完全结束，但这个状态一般是非常短暂的，通常在进程终止之后立即被移除。

这些状态可以通过命令 ps 或 top 查看。每种状态在输出中通常以单个字母表示，例如：

进程状态

R 表示运行状态
S 表示可中断睡眠
D 表示不可中断睡眠
T 表示停止
Z 表示僵尸

2.2.4 进程控制块（PCB）

进程控制块（Process Control Block, PCB）是操作系统中用于描述进程的一个数据结构，包含了操作系统管理进程所需的所有信息。PCB 是进程在操作系统中的“身份标识”，操作系统通过 PCB 来管理和调度进程。

PCB 的主要内容

进程标识信息：
进程 ID（PID）：进程的唯一标识符。
父进程 ID（PPID）：该进程的父进程的标识符。
用户 ID（UID）和组 ID（GID）：用于表示进程所属的用户和用户组。
进程状态：
记录进程的当前状态，如运行、就绪、阻塞、挂起、终止等。
进程调度信息：
优先级：进程的优先级，决定进程调度的顺序。
程序计数器：保存进程下一条要执行的指令地址。
CPU 寄存器：保存进程执行时的寄存器内容。
调度队列指针：指向进程所在的调度队列。
内存管理信息：
基地址和限长寄存器：进程使用的内存区域的描述。
页表或段表：用于实现虚拟内存的页式或段式管理。
进程控制信息：
文件描述符表：保存进程打开的文件信息。
信号处理信息：记录进程可以接收和处理的信号。
消息队列、管道、共享内存：进程间通信相关的信息。
资源使用信息：
记录进程使用的 CPU 时间、内存资源、I/O 设备等信息，方便操作系统进行资源分配和管理。

PCB 的作用

进程调度：调度程序通过读取和修改 PCB 中的状态和调度信息来管理进程的执行。
进程切换：在进程上下文切换时，系统保存当前进程的上下文信息到 PCB，并加载下一个进程的 PCB 信息。
进程控制：操作系统可以通过 PCB 管理进程的创建、终止、挂起、恢复等操作。
2.2.5 进程的标识符（PID）

在 Linux 中，PID 是操作系统分配给每个进程的唯一标识符，用来区分不同的进程。它是一个整数，可以通过 getpid() 系统调用获取当前进程的 PID。PID 在进程管理、调度、信号传递（如 kill 命令）等方面起着关键作用。

2.2.6 进程的内存结构

保留区：通常为保留的空间，不会用于程序的运行。
代码段（Text Segment）：存放程序的可执行代码，通常是只读的。
数据段（Data Segment）：存放已初始化的全局变量和静态变量。常量
BSS 段：存放未初始化的全局变量和静态变量，程序启动时这些变量被初始化为零。
堆（Heap）：用于动态内存分配，通过 malloc 等函数申请的内存从这里分配，堆向高地址方向增长。
待分配区域：通常是堆和栈之间的未使用内存空间，随着堆的增长或栈的扩展，这部分空间会动态分配给其中一方。
文件映射与匿名映射区：存放文件映射（如通过 mmap 映射的文件）和匿名映射（没有与具体文件关联的内存区域），这一部分用于进程间通信或快速文件访问。
栈（Stack）：用于存放函数调用时的局部变量、参数和返回地址，栈从高地址向低地址增长。
内核空间：内核使用的内存区域，用户进程无法直接访问，只有通过系统调用才能间接操作。

1.3 线程的介绍

前面已经提到，进程是系统中程序执行和资源分配的基本单位。每个进程都拥有自己的数据段、代码段和堆栈段，这导致进程切换时操作系统的开销较大。为提高效率，操作系统引入了线程这一概念，线程也被称为轻量级进程。

线程是进程中的执行单元，可以访问进程的内存空间和资源，并与同一进程中的其他线程共享。这种资源共享机制使得线程的上下文切换开销比进程小得多。一个进程可以拥有多个线程，它们共享进程的资源（如内存地址空间、文件描述符等）。但需要注意的是，由于线程共享资源和地址空间，任何线程对资源的操作都会影响到其他线程。因此，多线程编程中同步问题至关重要。