1 程序和进程
程序是包含一系列信息的文件,这些信息描述了如何在运行时创建一个进程:
- 二进制格式标识:每个程序文件都包含用于描述可执行文件格式的元信息。内核利用此信息来解释文件中的其他信息。(ELF可执行连接格式)
- 机器语言指令:对程序算法进行编码。
- 程序入口地址:标识程序开始执行时的起始指令位置。
- 数据:程序文件包含的变量初始值和程序使用的字面量值(比如字符串)。
- 符号表及重定位表:描述程序中函数和变量的位置及名称。这些表格有多重用途,其中包括调试和运行时的符号解析(动态链接)。
- 共享库和动态链接信息:程序文件所包含的一些字段,列出了程序运行时需要使用的共享库,以及加载共享库的动态连接器的路径名。
- 其他信息:程序文件还包含许多其他信息,用以描述如何创建进程。
- 进程是正在运行的程序的实例。是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元,在传统的操作系统中,进程既是基本的分配单元,也是基本的执行单元。
- 可以用一个程序来创建多个进程,进程是由内核定义的抽象实体,并为该实体分配用以执行程序的各项系统资源。从内核的角度看,进程由用户内存空间和一系列内核数据结构组成,其中用户内存空间包含了程序代码及代码所使用的变量,而内核数据结构则用于维护进程状态信息。记录在内核数据结构中的信息包括许多与进程相关的标识号(IDs)、虚拟内存表、打开文件的描述符表、信号传递及处理的有关信息、进程资源使用及限制、当前工作目录和大量的其他信息。
2 单道、多道程序设计
- 单道程序,即在计算机内存中只允许一个的程序运行。
- 多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序,使它们在管理程序控制下,相互穿插运行,两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态, 这些程序共享计算机系统资源。引入多道程序设计技术的根本目的是为了提高 CPU 的利用率。
- 对于一个单 CPU 系统来说,程序同时处于运行状态只是一种宏观上的概念,他们虽然都已经开始运行,但就微观而言,任意时刻,CPU 上运行的程序只有一个。
- 在多道程序设计模型中,多个进程轮流使用 CPU。而当下常见 CPU 为纳秒级,1秒可以执行大约 10 亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级,所以看似同时在运行。
3 时间片
- 时间片(timeslice)又称为“量子(quantum)”或“处理器片(processor slice)”是操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段 CPU 时间。事实上,虽然一台计算机通常可能有多个 CPU,但是同一个 CPU 永远不可能真正地同时运行多个任务。在只考虑一个 CPU 的情况下,这些进程“看起来像”同时运行的,实则是轮番穿插地运行,由于时间片通常很短(在 Linux 上为 5ms-800ms),用户不会感觉到。
- 时间片由操作系统内核的调度程序分配给每个进程。首先,内核会给每个进程分配相等的初始时间片,然后每个进程轮番地执行相应的时间,当所有进程都处于时间片耗尽的状态时,内核会重新为每个进程计算并分配时间片,如此往复。
4 并行和并发
- 并行(parallel):指在同一时刻,有多条指令在多个处理器上同时执行。
- 并发(concurrency):指在同一时刻只能有一条指令执行,但多个进程指令被快速的轮换执行,使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果,但在微观上并不是同时执行的,只是把时间分成若干段,使多个进程快速交替的执行。
- 并发是两个队列交替使用一台咖啡机。
- 并行是两个队列同时使用两台咖啡机。
5 进程控制块
- 为了管理进程,内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述。内核为每个进程分配一个 PCB(Processing Control Block)进程控制块,维护进程相关的信息,Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体。
- 在 /usr/src/linux-headers-xxx/include/linux/sched.h 文件中可以查看
struct task_struct
结构体定义。其内部成员有很多,我们只需要掌握以下部分即可:- 进程id:系统中每个进程有唯一的 id,用 pid_t 类型表示,其实就是一个非负整数
- 进程的状态:有就绪、运行、挂起、停止等状态
- 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器
- 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(Current Working Directory)
- umask 掩码
- 文件描述符表,包含很多指向 file 结构体的指针
- 和信号相关的信息
- 用户 id 和组 id
- 会话(Session)和进程组
- 进程可以使用的资源上限(Resource Limit)
查看系统资源上限。
root@LDY:~# ulimit -a
core file size (blocks, -c) 0
data seg size (kbytes, -d) unlimited
scheduling priority (-e) 0
file size (blocks, -f) unlimited
pending signals (-i) 7719
max locked memory (kbytes, -l) 65536
max memory size (kbytes, -m) unlimited
open files (-n) 65535
pipe size (512 bytes, -p) 8
POSIX message queues (bytes, -q) 819200
real-time priority (-r) 0
stack size (kbytes, -s) 8192
cpu time (seconds, -t) unlimited
max user processes (-u) 7719
virtual memory (kbytes, -v) unlimited
file locks (-x) unlimited
参考链接
https://www.nowcoder.com/study/live/504/2/1