Process

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进程

进程是资源封装的单位。 进程封装的资源包括：内存、文件、文件系统、信号、控制台等等。

  • 在任意时刻， 一个 CPU 核心上（processor）只可能运行一个进程 。

什么是孤儿进程

  • 当父进程退出时，它的子进程们（一个或者多个）就成了孤儿进程

当孤儿进程结束后，init进程会释放孤儿进程的资源，因此孤儿进程不会有危害

一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。 由于孤儿进程会被init进程给收养，所以孤儿进程不会对系统造成危害。

什么是僵尸进程

  • 子进程先退出，而父进程又没有去处理回收释放子进程的资源，这个时候子进程就成了僵尸进程

通常系统的进程数量都是有限制的，如果有大量的僵尸进程占用进程号，导致新的进程无法创建

在fork()/execve()过程中，假设子进程结束时父进程仍存在，而父进程fork()之前既没安装SIGCHLD信号处理函数调用waitpid()等待子进程结束，又没有显式忽略该信号，则子进程成为僵死进程，无法正常结束，此时即使是root身份kill -9也不能杀死僵死进程。

当我们寻求如何消灭系统中大量的僵尸进程时，答案就是把产生大量僵尸进程的那个元凶枪毙掉（通过kill发送SIGTERM或者SIGKILL信号）。枪毙了元凶进程之后，它产生的僵尸进程就变成了孤儿进程，这些孤儿进程会被init进程接管，init进程会wait()这些孤儿进程，释放它们占用的系统进程表中的资源。

进程上下文

  • 当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。

当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去。

在LINUX中，当前进程上下文均保存在进程的任务数据结构中。

在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中，在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源，以便中继服务结束时能恢复被中断进程的执行。

  • 发生进程上下文切换的场景
  1. 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
  2. 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
  3. 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
  4. 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行
  5. 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

内核与用户

  • 当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。

此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。

  • 当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态）。

此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

进程状态转换

进程状态轮转图

上图展示了一个进程的不同状态

  • New. 进程正在被创建.
  • Ready. 进程在等待被操作系统调度
  • Running. 进程的指令正在被执行
  • Waiting. 进程正在等待一些事件的发生（例如 I/O 的完成或者收到某个信号）
  • Terminated. 进程执行完毕（可能是被强行终止的）
  • 在程序中，创建一个MySQL Client实例，对应创建进程
  • MySQL Client启动时会连接MySQL Server，等待MySQL语句执行，对应进程就绪
  • 使用MySQL Client执行Select语句，对应进程运行
  • 等待MySQL Server返回Select结果，对应进程阻塞
  • Select结果返回后，MySQL Client重新等待语句执行，对应进程就绪
  • MySQL Client 执行exit操作，对应进程运行，中止MySQL Client 对应进程中止

进程间通信的同步/异步， 阻塞/非阻塞

  • 进程间的通信是通过 send() 和 receive() 两种基本操作完成的。具体如何实现这两种基础操作，存在着不同的设计。 消息的传递有可能是阻塞的或非阻塞的 – 也被称为同步或异步的

  • 阻塞式发送（blocking send）发送方进程会被一直阻塞， 直到消息被接受方进程收到。

  • 非阻塞式发送（nonblocking send）。发送方进程调用 send() 后， 立即就可以其他操作。

  • 阻塞式接收（blocking receive） 接收方调用 receive() 后一直阻塞， 直到消息到达可用。

  • 非阻塞式接受（nonblocking receive） 接收方调用 receive() 函数后， 要么得到一个有效的结果， 要么得到一个空值， 即不会被阻塞。

线程

线程则是Linux的调度单位，共享同一个进程下的资源。 Linux内核调度器是以线程为单位进行调度和上下文切换的。

线程上下文

  • 线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

说白了，所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

所以，对于线程和进程，我们可以这么理解：

  1. 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
  2. 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。
  • 发生线程上下文切换的场景
  1. 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
  2. 前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据

线程上下文切换耗时比进程大吗？

  • 从上下文切换的耗时上来看，Linux线程（轻量级进程）其实和进程差别不太大。

协程

参考

孤儿进程、僵尸进程和守护进程

面试官问：僵尸进程和孤儿进程有了解过吗

用户空间与内核空间，进程上下文与中断上下文[总结]

进程/线程上下文切换会用掉你多少CPU

最近更新于 Jan 4, 2021