13-1 进程，系统性能和任务计划

进程，系统性能和任务计划

进程概念

• 内核功用：进程管理、文件系统、网络功能、内存管理、驱动程序、安全功能等
• Process: 运行中的程序的一个副本，是被载入内存的一个指令集合
  • 进程ID（Process ID，PID）号码被用来标记各个进程
  • UID、GID、和SELinux语境决定对文件系统的存取和访问权限
  • 通常从执行进程的用户来继承
  • 存在生命周期
• 进程创建：
  • init：第一个进程（CentOS7软连接到systemd）
  • 进程：都由其父进程创建，fork()，父子关系，CoW

进程控制块PCB

• 内核把进程存放在叫做任务队列（task list)的双向循环链表中 * 链表中的每一项都是类型为task_struct，称为进程控制块（Processing Control Block），PCB中包含一个具体进程的所有信息
• PCB包含信息：
  • 进程id、用户id和组id
  • 程序计数器
  • 进程的状态(有就绪、运行、阻塞)
  • 进程切换时需要保存和恢复的CPU寄存器的值
  • 描述虚拟地址空间的信息
  • 描述控制终端的信息
  • 当前工作目录
  • 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针
  • 进程可以使用的资源上限(ulimit –a命令可以查看)
  • 输入输出状态：配置进程使用I/O设备

Task struct和Task list

进程相关概念

• Page Frame: 页框，用存储页面数据，存储Page 4k
• 物理地址空间和虚拟地址空间
• MMU：Memory Management Unit 负责转换线性和物理地址
• TLB：Translation Lookaside Buffer 翻译后备缓冲器
  • 用于保存虚拟地址和物理地址映射关系的缓存
• LRU：Least Recently Used 近期最少使用算法,释放内存
• 查看线程：cat /proc/PID/status |grep -i threads

MMU

程序在访问一个内存地址指向的内存时,CPU不是直接把这个地址送到内存总线上,而是被送到MMU（Memory Management Unit),然后把这个内存地址映射到实际的物理内存地址上.程序操作的地址称为虚拟内存地址

进程、线程和协程

用户和内核空间

C代码和内存布局之间的对应关系

进程的基本状态和转换

进程的基本状态：

• 创建状态：进程在创建时需要申请一个空白PCB(process control block进程控制块)，向其中填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。如果创建工作无法完成，比如资源无法满足，就无法被调度运行，把此时进程所处状态称为创建状态
• 就绪状态：进程已准备好，已分配到所需资源，只要分配到CPU就能够立即运行
• 执行状态：进程处于就绪状态被调度后，进程进入执行状态
• 阻塞状态：正在执行的进程由于某些事件（I/O请求，申请缓存区失败）而暂时无法运行，进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用
• 终止状态：进程结束，或出现错误，或被系统终止，进入终止状态。无法再执行

状态之间转换六种情况：

• 运行——>就绪：1，主要是进程占用CPU的时间过长，而系统分配给该进程占用CPU的时间是有限的；2，在采用抢先式优先级调度算法的系统中,当有更高优先级的进程要运行时，该进程就被迫让出CPU，该进程便由执行状态转变为就绪状态
• 就绪——>运行：运行的进程的时间片用完，调度就转到就绪队列中选择合适的进程分配CPU
• 运行——>阻塞：正在执行的进程因发生某等待事件而无法执行，则进程由执行状态变为阻塞状态，如发生了I/O请求
• 阻塞——>就绪:进程所等待的事件已经发生，就进入就绪队列
• 以下两种状态是不可能发生的：
• 阻塞——>运行：即使给阻塞进程分配CPU，也无法执行，操作系统在进行调度时不会从阻塞队列进行挑选，而是从就绪队列中选取
• 就绪——>阻塞：就绪态根本就没有执行，谈不上进入阻塞态

LRU算法

内存调度算法之一：

• 假设序列为 4 3 4 2 3 1 4 2物理块有3个，则
  
• 第1轮 4调入内存 4
• 第2轮 3调入内存 3 4
• 第3轮 4调入内存 4 3
• 第4轮 2调入内存 2 4 3
• 第5轮 3调入内存 3 2 4
• 第6轮 1调入内存 1 3 2
• 第7轮 4调入内存 4 1 3
• 第8轮 2调入内存 2 4 1

IPC进程间通信

• IPC: Inter Process Communication
  • 同一主机：pipe 管道
    • socket 套接字文件
    • signal 信号
    • shm shared memory
    • semaphore 信号量，一种计数器
  • 不同主机：socket IP和端口号
    • RPC remote procedure call
    • MQ 消息队列，如：Kafka，RabbitMQ，ActiveMQ

进程优先级

CentOS优先级：

• 进程优先级：
  • 系统优先级：数字越小，优先级越高
    • 0-139：各有140个运行队列和过期队列
  • 实时优先级: 99-0 值最大优先级最高
  • nice值：-20到19，对应系统优先级100-139
• Big O：时间复杂度，用时和规模的关系
  • O(1), O(logn), O(n)线性, O(n^2)抛物线, O(2^n)

进程状态

• Linux内核：抢占式多任务
• 进程类型：
  • 守护进程: daemon,在系统引导过程中启动的进程，和终端无关进程
  • 前台进程：跟终端相关，通过终端启动的进程
    • 注意：两者可相互转化
• 进程状态：
  • 运行态：running
  • 就绪态：ready
  • 睡眠态：
    • 可中断：interruptable
    • 不可中断：uninterruptable
  • 停止态：stopped,暂停于内存，但不会被调度，除非手动启动
  • 僵死态：zombie，结束进程，父进程结束前，子进程不关闭