LINUX系统进程管理

一、进程概述

进程是计算机系统中最重要的概念之一，在计算机系统中并行运行着大量的程序，这些程序不可能独占系统的全部资源，而是需要这些程序共享系统资源，所以这些程序在运行时会产生一定的竞争关系。那在这种情况下，系统资源怎么分配？运行程序该如何管理呢？操作系统为了解决这一系列的问题引入了进程的概念，用来作为操作系统分配和管理系统资源的基本单位。所以进程的出现是为了让系统资源的利用更加合理，从而提高系统的运行效率。
定义进程，就避免不了提到另一个概念“程序”。二者有什么关联和区别呢？
进程是在系统中的一次执行过程，从创建到分配资源到销毁，是一个动态的执行过程。而程序更像是一种静态的执行过程， 程序是有限的指令集合，这些指令集合就是进程要去执行的内容。换而言之，程序是进程在执行过程中的所执行的活动，是一种行为规则，所以二者为相辅相成的关系。

二、进程描述

进程从构造的元素看，由三部分组成，进程控制块（process control block，简称PCB）、有关程序段、操作数据集。其中，程序控制块中保存了进程的相关信息，它标识和描述进程存在及相关特性的数据块，是进程全部属性的集合。系统为每个进程都设置了一个PCB，当创建一个进程时，系统首先创建其PCB，然后根据PCB中的信息，对进程实施有效的管理和控制。当进程完成其功能后，系统则释放PCB，进程也随之销毁。
PCB是进程中广义的称呼，根据系统的不同，PCB的定义和含义也随之不同。在Linux系统中，由一个名为tast_struct的数据结构来等同PCB的作用。Linux系统正是通过task_struct结构来对进程进行有效管理和控制的。同广义PCB大致相同，tast_struct大致包含以下内容：

1. 进程标识符信息

每个进程都有系统唯一的进程名称或标识符号。其中包括进程标识符(pid)、用户标识符(uid)、有效用户标识符(euid)、组标识符(gid)等一些信息。
Linux系统中，每个进程都有唯一的进程标识符（Process ID，PID），PID可作为进程唯一的身份认证信息，内核通过这个标识符来识别不同的进程，同时，进程标识符也是内核提供给用户程序的接口。PID存放在进程描述符的PID域中，被顺序编号，每创建一个新进程，其PID通常是前一个进程PID加1。
在32位系统上，PID是32位无符号整数，允许最大的PID号为32767(2^15 - 1)。其中一个PID(0)通常保留在"swapper"或"init"进程，当内核在系统中创建第32768个进程时，就必须重启闲置的PID号。而在64位系统中，PID的最大值远大于32位系统，具体的最大值取决于内核的配置和硬件支持，通常在百万级别。

2. 进程的调度信息

进程调度程序利用这些调度信息，控制进行的优先级，并运用合理的策略保证系统高效公平的运行。这些信息主要包括调度标志、调度策略、进程类型、进程优先级、进程状态。
Linux采用的是基于优先级的可抢占式的调度系统，所以为了选择一个进程运行，调度程序必须要考虑每个进程的优先级，也就是我们平时所说的nice值。
Linux采取了两种优先级，静态和动态优先级。静态优先级只针对实时进程，它由用户赋给实时进程，范围是1~99，调度程序不会改变它。动态优先级只应用于普通进程，实质上它是基本时间片与当前时期内剩余时间片之和，翻译过来就是他的优先级要根据系统调度程序来动态分配。
实时进程的静态优先级总是高于普通进程的动态优先级，所以对于普通进程只有处于运行状态中，且没有实时进程后，调度程序才开始运行普通进程。哪些是普通进程呢，一般指前台进程和可交互进程。

进程有如下几种状态：

Linux对实时进程和普通进程是两种调度策略。
实时进程采用 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 两种调度算法。普通进程采用SCHED_OTHER策略。这里不深入讲解，感兴趣可以自行查阅。
经过调度算法处理后，进程状态的流程图如下。

在了解了基本的调度原理后，科普一下如何通过命令来手动更改进程优先级（nice值）。
在 Linux 中，可以使用 nice 值来设置进程的优先级。nice 值越低，进程的优先级越高。可以使用 renice 命令来调整正在运行的进程的 nice 值。
例如，创建一个优先级较高的进程：

nice -n -5 /path/to/your/program
# 这将以 -5 的 nice 值运行程序，使得进程的优先级较高。

对于正在运行的进程，可以使用 renice 命令来调整其优先级：

renice -5 PID
# 这里 PID 是进程的 ID，-5 是要设置的 nice 值。

3. 进程间通信信息

在多任务编程环境中，进程间必然需要进行通信来完成系统功能。Linux支持多种不同形式的进程间通信方式，如信号、管道，也支持SystemV进行进程间的通信，如信号量、消息队列和共享内存等方式。
PCB中主要有这些域与进程通信有关：

4. 进程链接信息

Linux系统中，除了初始化进程init外，所有进程都有一个父进程，通过fork或者clone方式来创建子进程，创建的子进程中除了PID以及必要信息外，task_struct结构中的大部分信息都是从父进程拷贝过来的。所以每个进程task_struct中都保存了指向父进程和兄弟进程以及子进程的指针。所以该信息更像是记录进程血脉传承的信息。

5. 时间和定时器信息

内核需要记录进程创建的时间以及在其生命周期内消耗的CPU时间，CPU的耗时又分为用户态耗时和内核态耗时。每个时钟中断，内核都要更新当前进程的耗时时间。

6. 文件系统信息

进程会访问文件系统资源，例如打开或关闭文件。所以内核需要对进程使用的文件情况进行记录。task_struct中有两个数据结构用来描述文件信息：

/* 文件节点信息 */
struct fs_struct		*fs;

/* 文件描述符信息 */
struct files_struct		*files;

7. 虚拟内存信息

8.处理器特定信息

寄存器以及堆栈信息，用于异常情况的恢复。

三、进程的相关操作

这里讲的操作都是指代码层面的方法调用与使用，至于通过命令控制统一归类于“进程管理工具”，会在第四部分描述。

（一）进程标识符相关操作

1. 代码中获取PID

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main(int argc, char const *argv[]) {
   
    pid_t pid = getpid();
    cout << "get id number = " << pid << endl;
    return 0;
}

运行结果：

nio@LT5CG7272399:~/Demo/linux_study/process_coding$ g++ pid.cpp -o pid
nio@LT5CG7272399:~/Demo/linux_study/process_coding$ ./pid 
get id number = 1250233

2. 读取PID文件
在Linux系统的"/var/run"路径下存放着许多名为*.pid的文件，这些文件是在新安装程序时产生的，内容只有一行，及该进程的进程号。

这些PID文件的作用是什么呢？PID文件是为了防止进程启动多个副本，只有获得了响应PID的写入权限的进程，才可以正常启动，并把自身的PID写入PID文件之中。PID文件位于固定路径"/var/run"，并且文件名也是固定的（进程名字.pid）。
写了个简单的例子，通过PID文件来判断进程是否运行：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
using namespace std;

static char* test_pid_file = "/var/run/acpid.pid";
static bool check_id(char* file);

int main(int argc, char const *argv[]) {
   
    // pid_t pid = getpid();
    // cout << "get id number = " << pid << endl;

    FILE* fp = fopen(test_pid_file, "w");
    if (fp) {
   
        fprintf(fp, "%d", getpid