Linux之进程管理基础概念

调用、调用接口、库调用

线性内存地址空间、物理内存地址空间、线性地址、物理地址

交换内存：缺页异常

进程内存结构

常驻内存集、虚拟内存集

进程、进程元数据、结构体、任务结构体、链表

进程类型、状态(read,runing,sleep,stopped,zombie)

可中断睡眠、不可中断睡眠

创建子进程的过程 

进程优先级、进程调度、进程队列

过期队列：抢占式多任务、系统调用IO

IO模型、系统调用IO等待过程

进程间通信：IPC

硬件    

<a href="https://s3.51cto.com/wyfs02/M01/9D/D0/wKioL1mG0aCBngAZAACxmFPnkEo823.png" target="_blank"></a>

编程接口：

     syscall（系统调用)

    libcall(库调用)

    硬件

库调用： 用户空间发生(独立的模块或系统调用的二次封装)

系统调用：内核空间发生，特权指令

    **如果非内核将要运行特权指令，会发起软中断，CPU会通知内核，除非内核有漏洞，特权指令一定是由内核执行。

调用：载入事先编写好的功能模块

模块：由别人提供，调用此模块完成功能

调用接口：得到模块的途径

例如：想要一双鞋(功能)，到鞋店去买(提供功能的位置)，鞋店的大门(调用接口)。

内核的功能

    驱动硬件、用户及权限管理、网络管理、程序包管理、文件系统管理、进程管理、安全管理

    网络管理: ip,ifcfg,nmcli配置ip,route,dns。配置文件配置ip,dns,route，图形工具配置

    文件系统管理: 块组、bitmap,GDT,Supper Block,VFS,同步IO、异步IO，写时复制，快照，中断信号，同步、通知机制、扩展槽、适配器、控制器

    程序包管理：rpm , yum , dnf (yum比rpm多了查询搜索、事务历史功能)，Ip比ifconfig多了(清空，查询过滤）

进程管理：

    1）进程创建

    2）进程调度

CPU使用和不使用的区别

    1、都是以相同频率工作

    2、消耗电一样

    不使用，白白浪费性能

    使用，CPU占据60-80%都有价值。

<a href="https://s4.51cto.com/wyfs02/M01/9F/5E/wKioL1mbzy_A4gtLAABUeNBoVts280.png" target="_blank"></a>

线性内存地址： 进程使用的地址

进程只能通过线性地址追踪数据

    1）将地址映射关系保存于内核内存的task struct表中，由内核虚拟出进程内存为整个内存大小

    2）由cpu的MMU(Memory Manager Unit)单元完成映射

交换内存：虚拟内存，中进程内存突然增大，可能物理内存不够用。基于LRU算法找出最近最少使用的内存数据，就将物理内存中的数据放入同内存有相同格式的磁盘中，以后使用时，用相同的方法，将数据交换到磁盘中，将交换分区要使用的数据加载至物理内存中。

    当数据从磁盘中调回时，可能物理内存的地址发生变化。引起 “缺页异常”：虚拟内存中的数据地址映射的物理内存的地址没有数据

        1、大异常、小异常

        2、要从磁盘中读数据：1）数据在交换分区中。2）重读数据

<a href="https://s1.51cto.com/wyfs02/M01/9F/5F/wKioL1mb0vKRrlJqAAA_KWJxTzI149.png" target="_blank"></a>

<a href="https://s3.51cto.com/wyfs02/M00/9F/5F/wKioL1mb1lPC95g6AAAjYLErLIY963.png" target="_blank"></a>

常驻内存集：不能交换出去的数据：指令所有空间"匿名页"

虚拟内存集：可以交换出去的数据：数据所有空间

进程：运行中的程序

    有生命周期：创建、运行、销毁

进程元数据

    位置：内核内存中，当进程切换或发起系统调用时，均会操作则表

进程元数据结构

task struct 任务结构体

thead_info 线程信息

flags 标识

run_list 运行列表

mm 内存结构

real_parent 真父

parent 养父

tty 在哪个终端启动

files 打开的文件

signal 自己持有的信号

物理地址和线性地址映射关系

结构体：保存进程元数据的结构

tast_struct : 进程元数据放至结构体中，称为任务结构体。一个进程也称为一个任务

链表：

    1、任务结构体的组织结构

    2、每个结构体的结束处指向下一个有相同结构的结构体的起始处

<a href="https://s4.51cto.com/wyfs02/M00/00/AE/wKiom1mbyuvyxgBvAAAou7KRTzo462.png" target="_blank"></a>

链表类型

    循环链表：最后 一个结构体的结束处指向第一个结构体的起始处

    双向链表：结构体的结束处指向下一个结构的起始处，并且此起始处又能指向上一个结构体的开始处

    双向循环链表：both above

<a href="https://s3.51cto.com/wyfs02/M00/9F/5E/wKioL1mbyzKTbvn0AABenvLFvSY128.png-wh_500x0-wm_3-wmp_4-s_3235841209.png" target="_blank"></a>

进程类型

    密集型

        CPU密集型：优先级低，运行进程少时，也可获取大量CPU资源

        IO密集型：优先级高，消耗CPU资源少，在需要CPU时，尽量满足。

    前、后台

        前台进程：在终端(控制器、虚拟、模拟)启动。 在终端也能启动后台进程(服务进程)或将前台进程送到后台。

        后台进程: 随系统启动而启动的进程

进程创建：程序分配cpu资源及内存资源，即为一个进程

刚开机时，进程放在cpu上运行，等内核掌控一切，创建内核空间

内核创建第一个进程(用户空间建立)/sbin/init

init进程：

    1、代替内核完成用户空间中操作

    2、不能代替内核完成 系统调用的执行

进程创建子进程：

    1、子进程也能创建子进程

    2、子进程和父进程共用一段内存空间，内存空间只读

    3、当子进程需要修改内存空间中的数据时，基于写时复制完成

<a href="https://s2.51cto.com/wyfs02/M00/00/AE/wKiom1mbzgfhCy1NAAAvuTI2jAc568.png" target="_blank"></a>

进程销毁：父进程替子进程收尸，如果父进程先于子进程挂。则为子进程找一个养父，才能收尸。

进程的状态:

    ready: 在进程队列中等待运行

    runing: 在cpu上运行

    sleeping: 睡眠

    stopped: 在内存中，有task struct但不会调度至cpu上运行，除非手动启动

    zombie: 没有父进程清理尸体

睡眠

    可中断睡眠：

        运行队列：等待被调度至CPU上运行

        过期队列：CPU时间消耗完毕

    不可中断睡眠

        过期队列：系统调用等待IO过程

进程运行中的进程需要完成特定功能

    1）系统调用: 特权指令的封装(程序操作硬件时，发起系统调用) 

    2）子进程完成：父进程调用程序，运行程序创建一个子进程完成功能。

<a href="https://s5.51cto.com/wyfs02/M01/9F/5F/wKioL1mb22rTY_mBAAAcNUkI7cI836.png" target="_blank"></a>

    进程优先级：0-139，0-99：实时优先级，不可调。 100-139(-20,19)静态优先级：普通用户只能调高，root用户没有限制

    进程调度：kernel按cpu划分时间片，依据优先级从运行队列挑选出优先级最高的队列，下次调度至cpu上运行

        只扫描运行队列，找到优先级最高的队列，即为下次调度至cpu上执行的进程

    进程队列：一个优先级对应2个队列：等待被调度至cpu上运行的的队列、过期队列

        1、提升进程调度能力

        2、一共有280个队列

     过期队列：运行队列运行完毕，过期队列和运行队列会互换位置

Linux 多任务模式：抢占式多任务

    进程运行时，有几个时间点可以被其他高于当前进程的进程所抢占。被抢占的进程，调度至过期队列，等待下一个循环

系统调用等待IO过程：

<a href="https://s3.51cto.com/wyfs02/M00/9F/57/wKioL1mbuYLinxD7AABnKiVM9WU998.png" target="_blank"></a>

<a href="https://s2.51cto.com/wyfs02/M02/9F/57/wKioL1mbuayCmFmxAAAXJqxmDSM843.png" target="_blank"></a>

发起系统调用的进程，等待系统调用IO时，也会被调度至过期队列中，等待下一个循环

系统调用内核完成IO操作

<a href="https://s4.51cto.com/wyfs02/M00/00/AD/wKiom1mbwQKxGYqsAAAjl965c2U281.png" target="_blank"></a>

第一阶段：kernel将磁盘中的数据加载至内存中

第二阶段：将Kernel内存中的数据复制到进程内存中(进程IO过程)

IO模型

同步、异步

阻塞、非阻塞

左侧进程在内核完成特权指令时的的状态。

右侧内核执行特权指令的阶段

同步IO

阻塞：进程挂起，第二阶段看着内核将数据复制到进程内存中(挂起)

非阻塞：进程不挂起，反复查看内核是否已经完成第一阶段，第二阶段看着内核将数据复制到进程内存中

<a href="https://s5.51cto.com/wyfs02/M02/9F/5D/wKioL1mbw6DSglGSAAAuW3HokW0071.png" target="_blank"></a>

<a href="https://s5.51cto.com/wyfs02/M00/00/AD/wKiom1mbw8GAf6a9AAA7Zb6hHwE145.png" target="_blank"></a>

<a href="https://s3.51cto.com/wyfs02/M00/9F/5D/wKioL1mbw8zA0PHGAAAsytKSPHI500.png" target="_blank"></a>

异步IO

<a href="https://s4.51cto.com/wyfs02/M02/9F/5D/wKioL1mbxCHiLZOyAAAraVK93pg962.png" target="_blank"></a>

IPC： Inter Process Communication

    同一主机: 信号、share memory 、 semenphor

        信号 signal(masage queue)

        共享内存， share memory 找一段内存空间扔数据，另一个进程从内存中读数据

        旗语 semnphor

        管道: pipe

    不同主机: rpc,socket

        rpc ,remote processcure call 本机发起调用，在另一个主机执行

        socket, ip: port 通信基于TCP，通信前建立TCP连接，二者间，建立虚拟链路

本文转自 lccnx 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/sonlich/1958340，如需转载请自行联系原作者