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一、概念的理解

• 首先程序與進(jìn)程是什么？程序與進(jìn)程又有什么區(qū)別？
  • 程序（procedure）：不太精確地說(shuō)，程序就是執(zhí)行一系列有邏輯、有順序結(jié)構(gòu)的指令，幫我們達(dá)成某個(gè)結(jié)果。就如我們?nèi)ゲ宛^，給服務(wù)員說(shuō)我要牛肉蓋澆飯，她執(zhí)行了做牛肉蓋澆飯這么一個(gè)程序，最后我們得到了這么一盤牛肉蓋澆飯。它需要去執(zhí)行，不然它就像一本武功秘籍，放在那里等人翻看。
  • 進(jìn)程（process）：進(jìn)程是程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次執(zhí)行過(guò)程，在早期的UNIX、Linux 2.4及更早的版本中，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的獨(dú)立基本單位。同上一個(gè)例子，就如我們?nèi)チ瞬宛^，給服務(wù)員說(shuō)我要牛肉蓋澆飯，她執(zhí)行了做牛肉蓋澆飯這么一個(gè)程序，而里面做飯的是一個(gè)進(jìn)程，做牛肉湯汁的是一個(gè)進(jìn)程，把牛肉湯汁與飯混合在一起的是一個(gè)進(jìn)程，把飯端上桌的是一個(gè)進(jìn)程。它就像是我們?cè)诳次涔γ丶@么一個(gè)過(guò)程，然后一個(gè)篇章一個(gè)篇章地去練。
• 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，程序是為了完成某種任務(wù)而設(shè)計(jì)的軟件，比如 vim 是程序。什么是進(jìn)程呢？進(jìn)程就是運(yùn)行中的程序。
• 程序只是一些列指令的集合，是一個(gè)靜止的實(shí)體，而進(jìn)程不同，進(jìn)程有以下的特性：
  • 動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程的實(shí)質(zhì)是一次程序執(zhí)行的過(guò)程，有創(chuàng)建、撤銷等狀態(tài)的變化。而程序是一個(gè)靜態(tài)的實(shí)體。
  • 并發(fā)性：進(jìn)程可以做到在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，有多個(gè)程序在運(yùn)行中。程序只是靜態(tài)的實(shí)體，所以不存在并發(fā)性。
  • 獨(dú)立性：進(jìn)程可以獨(dú)立分配資源，獨(dú)立接受調(diào)度，獨(dú)立地運(yùn)行。
  • 異步性：進(jìn)程以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。
  • 結(jié)構(gòu)性：進(jìn)程擁有代碼段、數(shù)據(jù)段、PCB（進(jìn)程控制塊，進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志）。也正是因?yàn)橛薪Y(jié)構(gòu)性，進(jìn)程才可以做到獨(dú)立地運(yùn)行。
• 并發(fā)：在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，宏觀來(lái)看有多個(gè)程序都在活動(dòng)，有條不紊的執(zhí)行（每一瞬間只有一個(gè)在執(zhí)行，只是在一段時(shí)間有多個(gè)程序都執(zhí)行過(guò)）
• 并行：在每一個(gè)瞬間，都有多個(gè)程序都在同時(shí)執(zhí)行，這個(gè)必須有多個(gè) CPU 才行
• 引入進(jìn)程是因?yàn)閭鹘y(tǒng)意義上的程序已經(jīng)不足以描述 OS 中各種活動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性還有相互制約性。程序就像一個(gè)公司，只是一些證書，文件的堆積（靜態(tài)實(shí)體）。而當(dāng)公司運(yùn)作起來(lái)就有各個(gè)部門的區(qū)分，財(cái)務(wù)部，技術(shù)部，銷售部等等，就像各個(gè)進(jìn)程，各個(gè)部門之間可以獨(dú)立運(yùn)做，也可以有交互（獨(dú)立性、并發(fā)性）。而隨著程序的發(fā)展越做越大，又會(huì)繼續(xù)細(xì)分，從而引入了線程的概念，當(dāng)代多數(shù)操作系統(tǒng)、Linux 2.6及更新的版本中，進(jìn)程本身不是基本運(yùn)行單位，而是線程的容器。就像上述所說(shuō)的，每個(gè)部門又會(huì)細(xì)分為各個(gè)工作小組（線程），而工作小組需要的資源需要向上級(jí)（進(jìn)程）申請(qǐng)。

• 線程（thread）是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一條線程指的是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。因?yàn)榫€程中幾乎不包含系統(tǒng)資源，所以執(zhí)行更快、更有效率。簡(jiǎn)而言之,一個(gè)程序至少有一個(gè)進(jìn)程,一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程。線程的劃分尺度小于進(jìn)程，使得多線程程序的并發(fā)性高。另外，進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中擁有獨(dú)立的內(nèi)存單元，而多個(gè)線程共享內(nèi)存，從而極大地提高了程序的運(yùn)行效率。就如下圖所示：

  
  
  概念形象比喻.png

二、進(jìn)程的屬性

• 2.1進(jìn)程的分類
  • 大概明白進(jìn)程是個(gè)什么樣的存在后，我們需要進(jìn)一步了解的就是進(jìn)程分類。可以從兩個(gè)角度來(lái)分：
    • 以進(jìn)程的功能與服務(wù)的對(duì)象來(lái)分；
    • 以應(yīng)用程序的服務(wù)類型來(lái)分；
  • 第一個(gè)角度來(lái)看，我們可以分為用戶進(jìn)程與系統(tǒng)進(jìn)程：
    • 用戶進(jìn)程：通過(guò)執(zhí)行用戶程序、應(yīng)用程序或稱之為內(nèi)核之外的系統(tǒng)程序而產(chǎn)生的進(jìn)程，此類進(jìn)程可以在用戶的控制下運(yùn)行或關(guān)閉。
    • 系統(tǒng)進(jìn)程：通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)核程序而產(chǎn)生的進(jìn)程，比如可以執(zhí)行內(nèi)存資源分配和進(jìn)程切換等相對(duì)底層的工作；而且該進(jìn)程的運(yùn)行不受用戶的干預(yù)，即使是 root 用戶也不能干預(yù)系統(tǒng)進(jìn)程的運(yùn)行。
  • 第二角度來(lái)看，我們可以將進(jìn)程分為交互進(jìn)程、批處理進(jìn)程、守護(hù)進(jìn)程
    • 交互進(jìn)程：由一個(gè) shell 終端啟動(dòng)的進(jìn)程，在執(zhí)行過(guò)程中，需要與用戶進(jìn)行交互操作，可以運(yùn)行于前臺(tái)，也可以運(yùn)行在后臺(tái)。
    • 批處理進(jìn)程：該進(jìn)程是一個(gè)進(jìn)程集合，負(fù)責(zé)按順序啟動(dòng)其他的進(jìn)程。
    • 守護(hù)進(jìn)程：守護(hù)進(jìn)程是一直運(yùn)行的一種進(jìn)程，在 Linux 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)，在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)終止。它們獨(dú)立于控制終端并且周期性的執(zhí)行某種任務(wù)或等待處理某些發(fā)生的事件。例如 httpd 進(jìn)程，一直處于運(yùn)行狀態(tài)，等待用戶的訪問(wèn)。還有經(jīng)常用的 cron（在 centOS 系列為 crond）進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程為 crontab 的守護(hù)進(jìn)程，可以周期性的執(zhí)行用戶設(shè)定的某些任務(wù)。
• 2.2 進(jìn)程的衍生
  • 進(jìn)程有這么多的種類，那么進(jìn)程之間定是有相關(guān)性的，而這些有關(guān)聯(lián)性的進(jìn)程又是如何產(chǎn)生的，如何衍生的？就比如我們啟動(dòng)了終端，就是啟動(dòng)了一個(gè) bash 進(jìn)程，我們可以在 bash 中再輸入 bash 則會(huì)再啟動(dòng)一個(gè) bash 的進(jìn)程，此時(shí)第二個(gè) bash 進(jìn)程就是由第一個(gè) bash 進(jìn)程創(chuàng)建出來(lái)的，他們之間又是個(gè)什么關(guān)系？一般稱呼第一個(gè) bash 進(jìn)程是第二 bash 進(jìn)程的父進(jìn)程，第二 bash 進(jìn)程是第一個(gè) bash 進(jìn)程的子進(jìn)程，這層關(guān)系是如何得來(lái)的呢？關(guān)于父進(jìn)程與子進(jìn)程便會(huì)提及這兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用 fork() 與 exec()
    • fork-exec是由 Dennis M. Ritchie 創(chuàng)造的
    • fork() 是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用（system call），它的主要作用就是為當(dāng)前的進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，這個(gè)新的進(jìn)程就是它的子進(jìn)程，這個(gè)子進(jìn)程除了父進(jìn)程的返回值和 PID 以外其他的都一模一樣，如進(jìn)程的執(zhí)行代碼段，內(nèi)存信息，文件描述，寄存器狀態(tài)等等
    • exec() 也是系統(tǒng)調(diào)用，作用是切換子進(jìn)程中的執(zhí)行程序也就是替換其從父進(jìn)程復(fù)制過(guò)來(lái)的代碼段與數(shù)據(jù)段
  • 子進(jìn)程就是父進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用 fork() 而產(chǎn)生的復(fù)制品，fork() 就是把父進(jìn)程的 PCB 等進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息直接復(fù)制過(guò)來(lái)，只是修改了 PID，所以一模一樣，只有在執(zhí)行 exec() 之后才會(huì)不同，而早先的 fork() 比較消耗資源后來(lái)進(jìn)化成 vfork(),效率高了不少，下面是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)邏輯

    pid_t p;
    
    p = fork();
    if (p == (pid_t) -1)
            /* ERROR */
    else if (p == 0)
            /* CHILD */
    else
            /* PARENT */
    

  • 既然子進(jìn)程是通過(guò)父進(jìn)程而衍生出來(lái)的，那么子進(jìn)程的退出與資源的回收定然與父進(jìn)程有很大的相關(guān)性。當(dāng)一個(gè)子進(jìn)程要正常的終止運(yùn)行時(shí)，或者該進(jìn)程結(jié)束時(shí)它的主函數(shù) main() 會(huì)執(zhí)行 exit(n); 或者 return n，這里的返回值 n 是一個(gè)信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)把這個(gè) SIGCHLD 信號(hào)傳給其父進(jìn)程，當(dāng)然若是異常終止也往往是因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)。
  • 在將要結(jié)束時(shí)的子進(jìn)程代碼執(zhí)行部分已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行了，系統(tǒng)的資源也基本歸還給系統(tǒng)了，但若是其進(jìn)程的進(jìn)程控制塊（PCB）仍駐留在內(nèi)存中，而它的 PCB 還在，代表這個(gè)進(jìn)程還存在（因?yàn)?PCB 就是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志，里面有 PID 等消息），并沒(méi)有消亡，這樣的進(jìn)程稱之為僵尸進(jìn)程（Zombie）。

  • 如下圖中第四列標(biāo)題是 S，S 表示的是進(jìn)程的狀態(tài)，而在下屬的第三行的 Z 表示的是 Zombie 的意思

    
    
    僵尸進(jìn)程.png
  • 正常情況下，父進(jìn)程會(huì)收到兩個(gè)返回值：exit code（SIGCHLD 信號(hào)）與 reason for termination 。之后，父進(jìn)程會(huì)使用 wait(&status) 系統(tǒng)調(diào)用以獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)，然后內(nèi)核就可以從內(nèi)存中釋放已結(jié)束的子進(jìn)程的 PCB；而如若父進(jìn)程沒(méi)有這么做的話，子進(jìn)程的 PCB 就會(huì)一直駐留在內(nèi)存中，一直留在系統(tǒng)中成為僵尸進(jìn)程（Zombie）。
  • 雖然僵尸進(jìn)程是已經(jīng)放棄了幾乎所有內(nèi)存空間，沒(méi)有任何可執(zhí)行代碼，也不能被調(diào)度，在進(jìn)程列表中保留一個(gè)位置，記載該進(jìn)程的退出狀態(tài)等信息供其父進(jìn)程收集，從而釋放它。但是 Linux 系統(tǒng)中能使用的 PID 是有限的，如果系統(tǒng)中存在有大量的僵尸進(jìn)程，系統(tǒng)將會(huì)因?yàn)闆](méi)有可用的 PID 從而導(dǎo)致不能產(chǎn)生新的進(jìn)程。
  • 另外，如果父進(jìn)程結(jié)束（非正常的結(jié)束），未能及時(shí)收回子進(jìn)程，子進(jìn)程仍在運(yùn)行，這樣的子進(jìn)程稱之為孤兒進(jìn)程。在 Linux 系統(tǒng)中，孤兒進(jìn)程一般會(huì)被 init 進(jìn)程所“收養(yǎng)”，成為 init 的子進(jìn)程。由 init 來(lái)做善后處理，所以它并不至于像僵尸進(jìn)程那樣無(wú)人問(wèn)津，不管不顧，大量存在會(huì)有危害。
  • 進(jìn)程 0 是系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)創(chuàng)建的一個(gè)特殊進(jìn)程，也稱之為內(nèi)核初始化，其最后一個(gè)動(dòng)作就是調(diào)用 fork() 創(chuàng)建出一個(gè)子進(jìn)程運(yùn)行 /sbin/init 可執(zhí)行文件,而該進(jìn)程就是 PID=1 的進(jìn)程 1，而進(jìn)程 0 就轉(zhuǎn)為交換進(jìn)程（也被稱為空閑進(jìn)程），進(jìn)程 1 （init 進(jìn)程）是第一個(gè)用戶態(tài)的進(jìn)程，再由它不斷調(diào)用 fork() 來(lái)創(chuàng)建系統(tǒng)里其他的進(jìn)程，所以它是所有進(jìn)程的父進(jìn)程或者祖先進(jìn)程。同時(shí)它是一個(gè)守護(hù)程序，直到計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)才會(huì)停止。

  • 通過(guò)以下的命令pstree我們可以很明顯的看到這樣的結(jié)構(gòu):

    
    
    pstree命令.png

  • 從下圖可以更加形象的看清子父進(jìn)程的關(guān)系：

    
    
    子父進(jìn)程之間的關(guān)系.png

  • 通過(guò)上圖的顯示結(jié)果我們可以看的很清楚，init 為所有進(jìn)程的父進(jìn)程或者說(shuō)是祖先進(jìn)程。還可以使用這樣一個(gè)命令(ps －fxo user,ppid,pid,pgid,command)來(lái)看，其中 pid 就是該進(jìn)程的一個(gè)唯一編號(hào)，ppid 就是該進(jìn)程的父進(jìn)程的 pid，command 表示的是該進(jìn)程通過(guò)執(zhí)行什么樣的命令或者腳本而產(chǎn)生的。

    
    
    子父進(jìn)程之間的詳細(xì)信息.png
  • 可以在上圖中看見(jiàn)我們執(zhí)行的 ps 就是由 zsh 通過(guò) fork-exec 創(chuàng)建的子進(jìn)程而執(zhí)行的。使用這樣的一個(gè)命令我們也能清楚的看見(jiàn) init 如上文所說(shuō)是由進(jìn)程 0 這個(gè)初始化進(jìn)程來(lái)創(chuàng)建出來(lái)的子進(jìn)程,而其他的進(jìn)程基本是由 init 創(chuàng)建的子進(jìn)程，或者是由它的子進(jìn)程創(chuàng)建出來(lái)的子進(jìn)程。所以 init 是用戶進(jìn)程的第一個(gè)進(jìn)程也是所有用戶進(jìn)程的父進(jìn)程或者祖先進(jìn)程。就像一個(gè)樹狀圖，而 init 進(jìn)程就是這棵樹的根，其他進(jìn)程由根不斷的發(fā)散，開枝散葉
• 2.3 進(jìn)程組與Session
  • 每一個(gè)進(jìn)程都會(huì)是一個(gè)進(jìn)程組的成員，而且這個(gè)進(jìn)程組是唯一存在的，他們是依靠 PGID（process group ID）來(lái)區(qū)別的，而每當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被創(chuàng)建的時(shí)候，它便會(huì)成為其父進(jìn)程所在組中的一員。一般情況，進(jìn)程組的 PGID 等同于進(jìn)程組的第一個(gè)成員的 PID，并且這樣的進(jìn)程稱為該進(jìn)程組的領(lǐng)導(dǎo)者,也就是領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)程，進(jìn)程一般通過(guò)使用getpgrp()系統(tǒng)調(diào)用來(lái)尋找其所在組的 PGID，領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)程可以先終結(jié)，此時(shí)進(jìn)程組依然存在，并持有相PGID，直到進(jìn)程組中最后一個(gè)進(jìn)程終結(jié)。與進(jìn)程組類似，每當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被創(chuàng)建的時(shí)候，它便會(huì)成為其父進(jìn)程所在Session中的一員，每一個(gè)進(jìn)程組都會(huì)在一個(gè)Session中，并且這Session是唯一存在的，
  • Session主要是針對(duì)一個(gè)tty建立，Session中的每個(gè)進(jìn)程都稱為一個(gè)工作(job)。每個(gè)會(huì)話可以連接一個(gè)終端(control terminal)。當(dāng)控制終端有輸入輸出時(shí)，都傳遞給該會(huì)話的前臺(tái)進(jìn)程組。Session意義在于將多個(gè)jobs囊括在一個(gè)終端，并取其中的一個(gè)job作為前臺(tái)，來(lái)直接接收該終端的輸入輸出以及終端信號(hào)。其他jobs在后臺(tái)運(yùn)行。
    • 前臺(tái)(foreground):在終端中運(yùn)行，能與你有交互的
    • 后臺(tái)(background):在終端中運(yùn)行，但是你并不能與其任何的交互，也不會(huì)顯示其執(zhí)行的過(guò)程
• 2.4 工作管理
  • bash(Bourne-Again shell)支持工作控制（job control）,而sh（Bourne shell）并不支持。并且每個(gè)終端或者說(shuō) bash 只能管理當(dāng)前終端中的job，不能管理其他終端中的job。比如：當(dāng)前存在兩個(gè)bash分別為 bash1、bash2，bash1 只能管理其自己里面的job，并不能管理bash2里面的job。

  • 我們都知道當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在前臺(tái)運(yùn)作時(shí)我們可以用Ctrl + c來(lái)終止它，但是若是在后臺(tái)的進(jìn)程就不行了。可以通過(guò)&這個(gè)符號(hào)，讓我們的命令在后臺(tái)中運(yùn)行，見(jiàn)下圖所示

    
    
    前臺(tái)在后臺(tái)運(yùn)行.png
  • 上圖中所顯示的[1] 236分別是該job的job number與該進(jìn)程的PID，而最后一行的 Done表示該命令已經(jīng)在后臺(tái)執(zhí)行完畢。

  • 還可以通過(guò)Ctrl + z使我們的當(dāng)前工作停止并丟到后臺(tái)中去，見(jiàn)下圖

    
    
    將當(dāng)前工作停止并丟到后臺(tái).png

  • 被停止并放置在后臺(tái)的工作我們可以使用jobs命令來(lái)查看,見(jiàn)下圖

    
    
    查看被停止并放置在后臺(tái)的工作.png
  • 上圖中第一列顯示的為被放置后臺(tái)job的編號(hào)，而第二列的＋表示最近(剛剛、最后)被放置后臺(tái)的job，同時(shí)也表示預(yù)設(shè)的工作，也就是若是有什么針對(duì)后臺(tái)job的操作，首先對(duì)預(yù)設(shè)的job，- 表示倒數(shù)第二（也就是在預(yù)設(shè)之前的一個(gè)被放置后臺(tái)的工作，倒數(shù)第三個(gè)(再之前的)以后都不會(huì)有這樣的符號(hào)修飾，第三列表示它們的狀態(tài)，而最后一列表示該進(jìn)程執(zhí)行的命令。

  • 還可以通過(guò)命令fg [%jobnumber]將后臺(tái)的工作拿到前臺(tái)來(lái)。后面不加參數(shù)提取預(yù)設(shè)工作，加參數(shù)提取指定工作的編號(hào)，ubuntu在zsh中需要%，在bash中不需要%。

    
    
    fg命令不帶參數(shù).png
    
    
    fg命令帶參數(shù).png

  • 之前我們通過(guò)Ctrl + z使得工作停止放置在后臺(tái)，若是我們想讓其在后臺(tái)運(yùn)作就使用命令bg [%jobnumber]，與fg類似，加參則指定，不加參則取預(yù)設(shè)。

    
    
    bg命令.png

  • 既然有方法將被放置在后臺(tái)的工作提至前臺(tái)或者讓它從停止變成繼續(xù)運(yùn)行在后臺(tái)，當(dāng)然也有方法刪除一個(gè)工作，或者重啟等，使用kill指令。

    
    
    kill命令的使用.png
    • 格式：kill -signal %jobnumber (signal從1-64個(gè)信號(hào)值可以選擇，可以這樣查看kill -l)
    • 參數(shù)說(shuō)明：
      • -1：重新讀取參數(shù)運(yùn)行，類似與重啟
      • -2：如同Ctrl + C
      • -3: 強(qiáng)制終止該任務(wù)
      • -4：正常的方式終止任務(wù)
    • 注意：若是在使用kill＋信號(hào)值然后直接加pid，你將會(huì)對(duì)pid對(duì)應(yīng)的進(jìn)程進(jìn)行操作；若是在使用kill+信號(hào)值然后％jobnumber，這時(shí)所操作的對(duì)象是job，這個(gè)數(shù)字就是就當(dāng)前bash中后臺(tái)的運(yùn)行的job的ID。