13-1 進程，系統性能和任務計劃

進程，系統性能和任務計劃

進程概念

• 內核功用：進程管理、文件系統、網絡功能、內存管理、驅動程序、安全功能等
• Process: 運行中的程序的一個副本，是被載入內存的一個指令集合
  • 進程ID（Process ID，PID）號碼被用來標記各個進程
  • UID、GID、和SELinux語境決定對文件系統的存取和訪問權限
  • 一般從執行進程的用戶來繼承
  • 存在生命週期
• 進程建立：
  • init：第一個進程（CentOS7軟鏈接到systemd）
  • 進程：都由其父進程建立，fork()，父子關係，CoW

進程控制塊PCB

• 內核把進程存放在叫作任務隊列（task list)的雙向循環鏈表中 * 鏈表中的每一項都是類型爲task_struct，稱爲進程控制塊（Processing Control Block），PCB中包含一個具體進程的全部信息
• PCB包含信息：
  • 進程id、用戶id和組id
  • 程序計數器
  • 進程的狀態(有就緒、運行、阻塞)
    
  • 進程切換時須要保存和恢復的CPU寄存器的值
  • 描述虛擬地址空間的信息
  • 描述控制終端的信息
  • 當前工做目錄
  • 文件描述符表，包含不少指向file結構體的指針
  • 進程可使用的資源上限(ulimit –a命令能夠查看)
    
  • 輸入輸出狀態：配置進程使用I/O設備

Task struct和Task list

進程相關概念

• Page Frame: 頁框，用存儲頁面數據，存儲Page 4k
• 物理地址空間和虛擬地址空間
• MMU：Memory Management Unit 負責轉換線性和物理地址
• TLB：Translation Lookaside Buffer 翻譯後備緩衝器
  • 用於保存虛擬地址和物理地址映射關係的緩存
• LRU：Least Recently Used 近期最少使用算法,釋放內存
• 查看線程：cat /proc/PID/status |grep -i threads

MMU

程序在訪問一個內存地址指向的內存時,CPU不是直接把這個地址送到內存總線上,而是被送到MMU（Memory Management Unit),而後把這個內存地址映射到實際的物理內存地址上.程序操做的地址稱爲虛擬內存地址

進程、線程和協程

用戶和內核空間

C代碼和內存佈局之間的對應關係

進程的基本狀態和轉換

進程的基本狀態：

• 建立狀態：進程在建立時須要申請一個空白PCB(process control block進程控制塊)，向其中填寫控制和管理進程的信息，完成資源分配。若是建立工做沒法完成，好比資源沒法知足，就沒法被調度運行，把此時進程所處狀態稱爲建立狀態
• 就緒狀態：進程已準備好，已分配到所需資源，只要分配到CPU就可以當即運行
• 執行狀態：進程處於就緒狀態被調度後，進程進入執行狀態
• 阻塞狀態：正在執行的進程因爲某些事件（I/O請求，申請緩存區失敗）而暫時沒法運行，進程受到阻塞。在知足請求時進入就緒狀態等待系統調用
• 終止狀態：進程結束，或出現錯誤，或被系統終止，進入終止狀態。沒法再執行

狀態之間轉換六種狀況：

• 運行——>就緒：1，主要是進程佔用CPU的時間過長，而系統分配給該進程佔用CPU的時間是有限的；2，在採用搶先式優先級調度算法的系統中,當有更高優先級的進程要運行時，該進程就被迫讓出CPU，該進程便由執行狀態轉變爲就緒狀態
• 就緒——>運行：運行的進程的時間片用完，調度就轉到就緒隊列中選擇合適的進程分配CPU
• 運行——>阻塞：正在執行的進程因發生某等待事件而沒法執行，則進程由執行狀態變爲阻塞狀態，如發生了I/O請求
• 阻塞——>就緒:進程所等待的事件已經發生，就進入就緒隊列
• 如下兩種狀態是不可能發生的：
• 阻塞——>運行：即便給阻塞進程分配CPU，也沒法執行，操做系統在進行調度時不會從阻塞隊列進行挑選，而是從就緒隊列中選取
• 就緒——>阻塞：就緒態根本就沒有執行，談不上進入阻塞態

LRU算法

內存調度算法之一：

• 假設序列爲 4 3 4 2 3 1 4 2物理塊有3個，則
  
  
• 第1輪 4調入內存 4
• 第2輪 3調入內存 3 4
• 第3輪 4調入內存 4 3
• 第4輪 2調入內存 2 4 3
• 第5輪 3調入內存 3 2 4
• 第6輪 1調入內存 1 3 2
• 第7輪 4調入內存 4 1 3
• 第8輪 2調入內存 2 4 1

IPC進程間通訊

• IPC: Inter Process Communication
  • 同一主機：pipe 管道
    • socket 套接字文件
    • signal 信號
    • shm shared memory
    • semaphore 信號量，一種計數器
  • 不一樣主機：socket IP和端口號
    • RPC remote procedure call
    • MQ 消息隊列，如：Kafka，RabbitMQ，ActiveMQ

進程優先級

CentOS優先級：

• 進程優先級：
  • 系統優先級：數字越小，優先級越高
    • 0-139：各有140個運行隊列和過時隊列
  • 實時優先級: 99-0 值最大優先級最高
  • nice值：-20到19，對應系統優先級100-139
• Big O：時間複雜度，用時和規模的關係
  • O(1), O(logn), O(n)線性, O(n^2)拋物線, O(2^n)

進程狀態

• Linux內核：搶佔式多任務
• 進程類型：
  • 守護進程: daemon,在系統引導過程當中啓動的進程，和終端無關進程
  • 前臺進程：跟終端相關，經過終端啓動的進程
    • 注意：二者可相互轉化
• 進程狀態：
  • 運行態：running
  • 就緒態：ready
  • 睡眠態：
    • 可中斷：interruptable
    • 不可中斷：uninterruptable
  • 中止態：stopped,暫停於內存，但不會被調度，除非手動啓動
  • 僵死態：zombie，結束進程，父進程結束前，子進程不關閉