【Linux】玩转操作系统，深入刨析进程状态与调度机制

目录

  • 1. 进程排队
  • 2. 进程状态的表述
    • 2.1. 进程状态
    • 2.2 运行状态
    • 2.3. 阻塞状态
    • 2.4. 挂起状态
  • 3. Linux下具体的进程状态
    • 3.1. 运行状态R
    • 3.2. 可中断睡眠状态S
    • 3.3. 不可中断睡眠状态D
    • 3.4. 停止状态T
    • 3.5. 死亡状态X
    • 3.6. 僵尸状态Z
  • 4. 孤儿进程
  • 5. 优先级
  • 6. Linux的调度与切换
    • 6.1. 四个概念
    • 6.2. 进程切换
    • 6.3. 进程调度

1. 进程排队

  1. 进程排队：指的是操作系统将等待资源的进程组织成队列，以便按照特定的调度策略来决定哪个进程可以获取资源并继续执行，即：将进程放入到等待资源的队列中进行排队。

进程排队，表示进程不是一直在运行的，是在等待某种软硬件"资源"。eg：scanf，等待键盘资源。

即使进程被调度到CPU上执行，它也不会一直运行下去。在多任务操作系统中，进程的执行是分时的，每个进程会分配到一定的时间片来执行，当时间片用完，操作系统会暂停运行当前进程。

  1. 进程排队，一定是进程的task_struct(PCB)进行排队。

  2. 进程的task_struct(PCB)可以放入到多种数据结构中。

进程的PCB既可以被放入到全局的双链表中，又可以被放入到特定的队列中。当进程被放入到全局的双链表中，OS会在进程的每个PCB中创建链表节点的对象；当进程被放入到特定的队列中，OS会在队列的数据结构中创建或复用双链表节点，在PCB中设置队列节点的链接。

image.png

2. 进程状态的表述

前言：教材中描述进程状态的模型和实际操作系统(如:Linux)中实现的进程状态模型可能会有差异。

2.1. 进程状态

  1. 进程状态：本质是一个整形类型的变量，它定义在task_struct结构体中，用来描述进程的不同的不同状态。
  2. 进程状态，决定着进程的后续操作和它在操作系统的行为。

image.png

2.2 运行状态

运行状态：进程已经准备好随时被调度。即：正在CPU上执行以及在运行队列中等待被调度的进程。

💡Tips：一个CPU一个运行队列。
屏幕截图 2024-07-20 104921.png

2.3. 阻塞状态

阻塞状态：进程暂时无法继续执行，在等待某种软硬件"资源"。

💡Tips：每个硬件都有自己的队列！

  1. 当进程在等待软硬件资源的时候，资源没有就绪，操作系统就会先将进程的task_struct设置为阻塞状态、再将task_struct链入到等待资源的等待队列中。

  2. 状态的变迁，引起的是PCB会被操作系统变迁到不同的队列中！
    image.png

  3. 硬件的就绪状态，本质是硬件的资源准备好执行任务的状态，操作系统作为硬件的管理者，负责监控和管理这些硬件资源的状态。

硬件资源就绪，对于键盘的输入，通常是指键盘的中断机制已触发，表明有新的输入数据已经准备好了。

键盘的输入处理流程如下：硬件资源就绪（键盘输入准备完毕）→ OS通过驱动程序将数据从外设（键盘）搬到内存（内核输入缓冲区）→ 用户程序通过系统调用接口（scanf）将数据从内存搬到用户空间。

2.4. 挂起状态

挂起状态：进程被暂时停止执行，它的状态被保存，以便在将来某个时刻恢复。分为内部挂起、外部挂起。

  1. 外部挂起：也称为阻塞挂起。当系统资源紧张，如：内存空间不足，OS会将进程的代码和数据保存到磁盘的swap分区，以释放内存供其他进程使用，此时进程状态为挂起状态。当内存资源变的可用时，OS会将对应的代码和数据重新加载到内存中，并将其状态由挂起变为运行，以便它可以被调度执行。

  2. 唤出过程：当内存资源紧张时，OS会将内存中数据(等待资源的进程的代码和数据)交换到磁盘的swap分区中，以释放内存空间，这个过程称为唤出。

  3. 唤入过程：当需要恢复执行此进程时，就会将磁盘的swap分区保存的内容回到内存中，使进程可以继续执行，这个过程称为唤出。

image.png

问1：创建一个新进程，是先创建进程的PCB，还是先把进程的代码和数据加载到内存中？

答：先创建进程的PCB，再把进程的代码和数据加载到内存中，确保了OS对进程的创建和管理。

问2：磁盘的swap分区的大小是越大越好吗？

答：不是，会导致性能下降、资源浪费等问题。与内存相比，磁盘速度慢的多，如果swap分区很大，会导致OS过度依赖它，而频繁的唤入唤出操作会显著降低系统的性能，因为磁盘的IO速度远低于内存的读写速度。

  • swap分区不能设置过大，通常大小等于内存大小或内存大小的一半。

3. Linux下具体的进程状态

/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
static const char * const task_state_array[] = {
"R (running)", /* 0 */
"S (sleeping)", /* 1 */
"D (disk sleep)", /* 2 */
"T (stopped)", /* 4 */
"t (tracing stop)", /* 8 */
"X (dead)", /* 16 */
"Z (zombie)", /* 32 */
};

image.png

3.1. 运行状态R

运行状态R：进程正在运行或者准备运行。它可能正在CPU上执行，或者在运行队列中等待被调度。

在这里插入图片描述

  1. grep是单独指令，是程序，只有被运行，变成进程，它才会执行过滤操作，所以它的状态总是运行状态R。

  2. 前台进程(带+)，可以被键盘(ctrl + c)终止；后台进程(不带+)，不可以被键盘终止，可以通过发信号（kill -9 进程的PID)，才可终止后台进程 ；前台进程 -> 后台进程：./程序 & 。

3.2. 可中断睡眠状态S

可中断睡眠S：也称为浅度睡眠或睡眠状态，意味着进程正在等待某个事件的完成，如: I/O操作、定时器到期(sleep函数)等，它可以被信号中断，如：ctrl + c、kill -9终止进程。

💡Tips：可中断睡眠睡眠S == 阻塞状态。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
 
int main()
{
    while(1)
    {
        printf("I am a process, id: %d\n", getpid());
        sleep(1);
    }
}

在这里插入图片描述
问：为什么这个进程处于睡眠状态？

答：sleep函数会将进程由运行状态变为睡眠状态，等待指定的时间，进程会被OS唤醒。printf函数的执行速度通常是非常快的，因为CPU的执行速度很快，而printf是向显示器打印，需要访问外设，printf可能会等待I/O操作完成时使进程短暂的进入睡眠状态。

3.3. 不可中断睡眠状态D

不可中断睡眠D：也称为深度睡眠或磁盘休眠状态，它通常会等待硬件操作(如：磁盘I/O)完成，不能响应信号，直到它所等待的事件完成。

💡Tips：不可中断睡眠睡眠D == 阻塞状态。

eg：当一个进程发起磁盘的写入操作时，当内存资源十分吃紧，如果此进程处于睡眠状态S，OS就会将此进程杀掉，可能会导致数据丢失，所以此进程的状态被设置于不可中断睡眠状态D，OS不可以杀掉此进程，进程等待磁盘的结果以作出相应的应答。

3.4. 停止状态T

停止状态T：意味着进程已经被暂停或者正在被追踪，通常是因为接受到一个信号，或者是在调试器中被断点所拦截。

💡Tips：停止状态T == 阻塞状态。

  1. 可以通过发送SIGSTOP信号(kill -19)给进程来停止进程，通过发送SIGCONT信号(kill -18)让处于暂停状态的进程继续运行。

image.pngimage.png

3.5. 死亡状态X

死亡状态X：意味着进程已经终止，且资源已经被回收，它只是一个返回状态，不再存在于进程列表中。

3.6. 僵尸状态Z

僵尸状态：进程已经退出，但其父进程尚未调用wait( )来收集其退出信息。即: 进程是已退出但未清理的状态，等待父进程回收资源。

  1. 前提：子进程比父进程先退出。只要子进程退出了，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程退出信息，子进程就进入Z状态，当父进程回收了子进程的资源，子进程由Z状态变为X状态。

处于僵尸状态的进程会一直保存在进程列表中。通常情况下，进程先变为Z状态，再变为X状态。

  1. 当一个Shell( bash )会话结束时，如果没有显示的调用wait( )回收子进程的资源，而Shell作为父进程，会自动调用wait( )来清理所有已经终止的子进程的资源，避免留下僵尸进程，后台进程除外。

  2. 当进程退出后，先会释放进程的代码和数据，进程的PCB不能被释放，因为它里面存储着结果数据，只有当父进程完成了资源的回收和状态的读取，PCB才会被释放。

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

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) return 1;
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt--)
        {
            printf("I am child process, pid: %d, ppid：%d\n",getpid(    ),getppid()); 
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        //父进程
        int cnt = 10;
        while(cnt--)
        {
            printf("I am father process, pid: %d, ppid：%d\n",getpid    (),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    wait(NULL);
                                                                     
    printf("father wait child done...\n");
    sleep(5);
}
//现象：父子进程同时运行5s, 5s后子进程退出(变Z状态), 父进程在运行5s, 5s后父进程回收子进程资源(子进程由Z->X状态), 5s后父进程退出

a. 为什么要有僵尸状态Z？

  • 创建进程是希望这个进程执行特定任务，子进程在完成工作后，往往需要向父进程报告结果或者状态信息（子进程必须由结果数据保存在自己的PCB中) , 从而使父进程能够根据子进程的执行结果作出适当的响应。

b. 什么是僵尸状态Z？

  • 进程已经退出，但是当前进程的状态需要自己维持住，供父进程读取。

c. 如果父进程不读取子进程的退出数据呢？

  • 僵尸状态的进程会一直存在，而维护退出状态本质是用数据维护，存储在进程的PCB，所以task_struct对象也要一直存在，而数据结构对象本身就要占用内存，会造成内存泄漏。

4. 孤儿进程

孤儿进程：父进程比子进程先退出，子进程就称为"孤儿进程"。

  • 孤儿进程被PID为1的进程(操作系统)领养，由OS回收其资源。
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) return 1;
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        int cnt = 10;
        while(cnt--)
        {
            printf("I am child process, pid: %d, ppid：%d\n",getpid(    ),getppid()); 
            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }
    else
    {
        //父进程
        int cnt = 5;
        while(cnt--)
        {
            printf("I am father process, pid: %d, ppid：%d\n",getpid    (),getppid());
            sleep(1);
        }
    }                                                       
}

5. 优先级

优先级：CPU资源分配的先后顺序。

  1. 前提：进程要访问某种资源，进程通过一定的方式(排队)，确认享受资源的先后顺序。

  2. 为什么要存在优先级？因为资源相对过少。

  3. 优先级本质是一个整数类型的变量，数值越小，优先级越高，具有优先执行的权力。

  4. 优先级PRI(new) = 优先级PRI(old) + nice。

Linux系统允许用户调整进程的优先级，但不能直接修改pri，而是修改进程的nice值。

nice值：是进程优先级的修正数据，!=进程优先级；优先级PRI(old)为默认优先级(值为80)。

  1. Linux优先级默认值为80，优先级的范围为[60 , 99]，nice值的范围为[-20，19]，一共40个。

Linux为什么调整优先级是要受限制的？

答：如果不受限制，则用户能够随意提高自己的进程优先级调整的非常高，那么很可能他们会过度提升自己的进程，使其始终处于高优先级的状态，导致常规进程难以得到CPU资源，产生进程饥饿现象。

💡Tips：任何分时系统(基于时间片进行轮转执行)，确保了进程调度的公平性和系统的稳定性！

ps -l

  • 功能：显示当前登录用户的所有进程的信息。

XQO_I_HJQOJ~HJ{N96`XFI5.png
UID：代表执行者的身份、PID：进程的唯一标识符、PPID：子进程的父进程的唯一标识符、PRI：进程的优先级、NI：进程优先级的修正数据。

top -> r -> 输入进程的PID -> 输入nice值

  • 功能：用top命令更改已存在进程的nice值，从而调整进程的优先级。

优先级.gif

renice nice 进程的PID

  • 功能：更改已存在进程的nice值，从而调整进程的优先级。

6. Linux的调度与切换

6.1. 四个概念

现代操作系统可以分成不同类别，分时操作系统和实时操作系统是两种重要的类型。

对于分时OS，进程都是基于时间片进行轮转执行的。每个就绪进程在轮到自己时，将会获得一个时间片来执行，如果一个进程在时间片结束时还没有执行完，它就会立即被暂停，CPU将被分配给下个进程，造成多个进程在"同时"运行的假象。

对于实时OS，采用的是优先级驱动的调度策略，要求OS对用户有超高响应，其中一旦高优先级的进程一旦就绪，将立即抢占CPU执行，如：车载系统。

  1. 竞争性：系统中进程的数量多、而CPU资源少量，所以进程之间对于共享资源是具有竞争属性的。

  2. 独立性：多进程在运行期间互不影响。每个进程在执行时都有自己的私有执行环境，包括代码、数据等资源，它们各自独享自己的执行资源。

  3. 并行：多个进程在多个CPU下，分别同时进行运行。

  4. 并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间内，多个进程看起来同时执行。

6.2. 进程切换

进程切换 = 保护进程的硬件上下文 + 进程的硬件上下文恢复。是OS在多任务环境中实现进程间公平调度和并发执行的关键机制。

  1. 进程在运行的过程中，会产生大量的临时数据，小部分被存储在CPU的寄存器中，大部分被存储在内存中。

  2. 进程的硬件上下文：在某一时刻，CPU执行进程时，所有硬件状态信息的集合。如：CPU内部的寄存器中存储的所有临时数据等。

  3. 保存进程的硬件上下文：当一个进程的时间片结束、主动放弃CPU(等待某种资源scanf)、有更高优先级的进程就绪需要暂时停止执行，OS会保存该进程的硬件上下文到进程的PCB中。

  4. 进程的硬件上下文恢复：在保存完当前进程的上下文后，OS会选择下一个要运行的进程，如果该进程是第二次被调度，就会将该进程的PCB中上下文重新加载到CPU上，CPU会从上次的运行位置继续运行。

💡Tips：所有的保存都是为了最终的恢复，所有的恢复都是为了继续上次的运行位置继续执行。

  1. CPU中的寄存器从物理上是被所有进程共享，在任意时刻，CPU的寄存器由当前正在执行的进程独占使用，而寄存器内部保存的数据，是被该进程私有的。即：CPU中的寄存器只能有一套，寄存器内部保存的数据可以有多套。

💡Tips：寄存器 != 寄存器的内容。

6.3. 进程调度

在这里插入图片描述
背景：Linux的进程调度O(1)算法，需要考虑优先级、进程饥饿、以及效率等问题，这主要是通过是特定的数据结构和算法设计来实现的。

一、####数据结构

  1. queue[140]

这是个优先级数组(prio_array)，它是一个长度为140的指针数组，每个元素包含一个链表头，该链表包含具有相同优先级的所有就绪进程，即：每个元素对应一个优先级队列，每个队列中的进程具有相同的优先级，它维护了140个优先级队列。

实时优先级：0~99，用于实时进程，以确保它们能够及时响应并完成任务。

普通优先级：100~139，通过nice值[-20，19]可以调整进程在该范围内的优先级，用于非实时进程，遵循时间片轮转调度策略，确保进程公平的共享CPU资源。image.png

  1. bitmap[5]

这是一个位图(prio_map)，用于快速检测哪些优先级队列是非空的。它是一个5个整数的数组，每个整数有32个比特位，共有5*32=160个比特位 > 140，位图操作都是在比特级别进行的，时间复杂度为O(1)，非常高效。

位图中的每个比特位的位置，对应着一个优先级队列；每个比特位的内容，表示这个队列是否为空。即：检测某个优先级队列中是否有进程，转为为检测对应比特位是否为1。

  1. nr_active

这是一个计数器，用于记录当前活跃进程队列中进程的总数。

struct q
{
    int nr_active;
    int bitmap[5];
    task_struct queue[140];
}

二、####算法实现

  1. 优先级

通过优先级数组和位图，调度器，可快速定位到最高优先级的非空队列。当需要调度下一个进程时，调度器首先会遍历位图，直到找到’第n位’为1才会停下，再访问queue数组中的下标值为’第n位’的元素，取出该队列中第一个进程进行运行。

  1. 避免进程饥饿

OS会将时间片耗尽的进程放到过期队列中，不让他们一直占用活跃队列的位置，确保其他进程被调度到CPU上执行；新增进程也会被加入到过期队列，不论这个新进程的优先级高低，避免了较高优先级的进程抢占CPU资源。而CPU只会执行活跃队列中的进程，当活跃队列上的进程都被执行完毕，两队列交换。

  1. 效率

因为bitmap[5]数组的存在，调度器只需要遍历bitmap[5]数组，而不是整个queue[140]数组，大大减少了遍历的次数。位图的查询操作时间复杂度为O(1)，意味着无论多少个优先级队列，调度器只需要遍历bitmap[5]，就可以快速找到非空优先级队列，大大提高了查找效率。

三、活跃进程队列、过期进程队列

  1. 活跃进程队列：包含了当前准备就绪，可以立即被执行的进程。

  2. 过期进程队列：包含了时间片耗尽，但未执行完毕的进程。

四、active指针、expired指针

  1. active指针永远指向活跃队列、expired指针永远指向过期队列。

  2. 进程的时间片一直存在，就会使活跃队列的进程一直在减少、过期队列的进程一直在增多。

struct q  
{
    int nr_active;
    int bitmap[5];
    task_struct queue[140];
}

struct q array[2]; 

struct q* active = &array[0];    //活跃队列
struct q* expired = &array[1];  //过期队列

swap(&active, &expired); //更改的只是指针变量的内容，队列内容并未改变

image.png

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文章目录 一&#xff0c;显示状态列改为switch开关二&#xff0c;监听状态改变 首先&#xff0c;把ESLint语法检查关掉&#xff0c;因为这个语法检查过于严格&#xff0c;在控制台输出很多错误信息&#xff0c;干扰开发。 在build目录下下webpack.base.conf.js中&#xff0c;把…
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无法找到模块“three”的声明文件。“c:/Users/demo/node_modules/three/build/three.cjs(待整理)

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matlab实验：实验六MATLAB 数值计算与符号运算

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题目1&#xff1a;&#xff08;线性方程组数值求解&#xff09; 1&#xff0e; 用不同的方法求解下面方程&#xff1a;&#xff08;方程原式参考 P369 实验 10&#xff0c;第 1 题&#xff09; 第 1 种&#xff0c;左除和求逆函数(inv) 第 2 种 &#xff0c; 用 符 号 运 算 的…
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