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本篇文章主要记录以下学习内容:

  • Linux进程生命周期(就绪、运行、睡眠、停止、僵尸)
  • 僵尸的含义
  • 停止状态与作业控制, cpulimit
  • 内存泄漏的真实含义
  • task_struct以及task_struct之间的关系
  • 初见fork和僵尸

1、进程控制块PCB

Task_struct (PCB) 通俗一点的说就是描述进程资源的结构体,也可以称为进程描述符。在这个结构体中存放着这个进程所需要的所有资源的结构的描述。例如我们能想到的进程肯定有进程id,进程的内存管理,对文件的管理,对信号的管理等,那么PCB中就肯定存有类似于下面的结构:

在这里插入图片描述

其中PID的数量是有限的,在我自己的Linux系统中是32768

$ cat /proc/sys/kernel/pid_max
32768
所以我们不能无限制的创建进程。

那么在Linux中Task_struct是如何被管理的呢?

  1. 形成链表

在这里插入图片描述

  1. 形成树
    因为链表遍历的开销比较大,所以会在链表的基础上,形成树结构,这样会使对进程描述符的遍历的时间复杂度更低
    在这里插入图片描述

  2. 形成哈希 :pid->task_struct
    为了更加快捷的访问到进程描述符,可以让进程的pid作为索引,形成哈希结构,这样在实现进程的调度算法时,效率会更高效。

在这里插入图片描述

2、进程的生命周期

在这里插入图片描述

上图表示了进程的六种状态,就绪态,运行态,深度睡眠态,浅睡眠态,停止态,僵尸态。

就绪态和运行态在数值上是相等的,都是由宏TASK_RUNNING定义。就绪态和运行太可以相互转换,运行态可以到停止态(例如ctrl+z),停止态可以恢复到就绪态。

其中,就绪态,运行态,停止态很好理解,这里不再赘述。

  • 深睡眠
    进程处于睡眠态(调用sleep),等到资源到位,就可以被调度(变成就绪态TASK_RUNNING)。
  • 浅睡眠
    进程处于睡眠态(调用sleep),等到资源到位,或者收到信号,就可以被调度(变成就绪态TASK_RUNNING)。

正常的进程睡眠都是浅睡眠,但是内核中有一些进程处于睡眠态不希望被信号打断,那么它就会处于深睡眠状态。

  • 僵尸态
    资源已经释放,没有内存泄漏等!!!
    但是 Task_struct还在,这样的话,父进程可以根据子进程的Task_struct结构体存的退出码,查出子进程的死因。

有内核代码如下:
在这里插入图片描述

3、作业控制(cpulimit)

有时候我们的进程的CPU占用率非常高,为了使其他进程可以获得CPU时间,我们可以使用一些手段降低进程的CPU占用率。

其中cpulimit是之前比较常用的一个命令,它利用间断性的使进程处于停止态,从而降低进程的CPU占有率。

假设我的进程是一个死循环,且CPU占有率很高,则通过以下命令可以降低该使进程号为10111的进程的CPU占有率变为20%。

$ cpulimit -l 20 -p 10111

cpulimit的原理:
在这里插入图片描述

4、内存泄漏到底是什么

  • 内存泄漏不是进程死了内存没释放

如果进程死了(退出或者变成僵尸),它所占有的内存资源会瞬间全部释放。
在这里插入图片描述

  • 内存泄漏是进程活着,但随着时间的推移,内存消耗越来越多

在这里插入图片描述

5、初见fork

1. 初识fork

看下面程序打印几个hello?

int main() {
	fork();
	printf("hello\n");
	fork();
	printf("hello\n");
	while (1);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

假设p1是main函数这个进程,进入函数后,fork产生一个子进程p2,p1和p2各打印一个hello,接着p1和p2又各fork(),分别又产生两个hello,所以一共打印6个hello。

运行下面程序看如何打印:

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

int main(){
    pid_t pid;

    pid = fork();

    if(pid==-1){ /* 创建不成功 */
        perror("Can't creat new process");
        exit(1);
    }
    else if(pid==0){  /* pid==0,子进程运行代码 */
        printf("a\n");
    }
    else {     /* 父进程运行代码 */
        printf("b\n");
    }
	/* 父子进程都运行的代码 */
    printf("c\n");
    while(1);
}

运行结果为:
在这里插入图片描述

  • 结果分析:

fork()函数的返回值是返回两次的,在父进程中返回子进程的pid,在子进程中返回0。借此我们可以在代码中区分开父子进程运行的代码。

进入函数后首先fork(),产生一个子进程,在子进程的进程空间的环境创建好之前,父进程就已经运行完并打印了b和c,然后子进程打印a和c。

2. 子死父清场(life_period.c)

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

int main(void)
{
	pid_t pid,wait_pid;
	int status;

	pid = fork();

	if (pid==-1)	{
		perror("Cannot create new process");
		exit(1);
	} else 	if (pid==0) {
		printf("child process id: %ld\n", (long) getpid());
		pause();
		_exit(0);
	} else {
#if 1 /* define 1 to make child process always a zomie */
		printf("ppid:%d\n", getpid());
		while(1);
#endif
		do {
			wait_pid=waitpid(pid, &status, WUNTRACED | WCONTINUED);

			if (wait_pid == -1) {
				perror("cannot using waitpid function");
				exit(1);
			}

			if (WIFEXITED(status))
				printf("child process exites, status=%d\n", WEXITSTATUS(status));

			if(WIFSIGNALED(status))
				printf("child process is killed by signal %d\n", WTERMSIG(status));

			if (WIFSTOPPED(status))
				printf("child process is stopped by signal %d\n", WSTOPSIG(status));

			if (WIFCONTINUED(status))
				printf("child process resume running....\n");

		} while (!WIFEXITED(status) && !WIFSIGNALED(status));

		exit(0);
	}
}
  • 在if 1不改为if 0的情况下

编译运行程序,杀死子进程,查看父进程的僵尸态

编译运行:

$ gcc life_period.c
$ ./a.out
Child process id:6426

另开一个终端先看父子进程的状态:
在这里插入图片描述
然后杀死子进程:

$ kill -9 6426

再查看状态:
在这里插入图片描述
可以看到,子进程(pid=6426)的状态已经变味僵尸态

  • 在if 1改为if 0的情况下

编译运行程序,杀死子进程,查看父进程的僵尸态

编译运行:

$ gcc life_period.c
$ ./a.out
Child process id:6430

另开一个终端先看父子进程的状态:
在这里插入图片描述

然后杀死子进程

$ kill -9 6430

在第一个终端可以看到子进程被杀死的原因
在这里插入图片描述
然后父进程也退出。

可以看出父进程可以通过waitpid()函数回收子进程的task_struct结构。

6、总结

  • 理解Linux进程的生命周期(六种状态)
  • 理解task_struct结构
  • 理解僵尸进程(资源已经释放,Task_struct结构还在)
  • 理解内存泄漏的真实含义
  • 理解fork与僵尸态
  • 动手写上述实验代码并自己编译运行

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