Linux基础（三） | 青训营笔记

1 课程目标

• Linux是现代化应用程序交付的首选平台，无论是部署在裸机、虚拟化还是容器化环境
• 公司内部服务（TCE、FaaS、SCM）统一使用DebianLinux系统
• 熟悉Linux基础指令，熟练运维前端常用服务 （Nginx，Node.js）
• 加深对操作系统概念和实现的理解，夯实基础知识

2 Linux系统结构 --进程管理

• 在Linux中，进程是指正在执行的程序实例
• 每个进程都拥有自己独立的虚拟地址空间、寄存器集合和打开文件的描述符等资源
• 进程是Linux中最为重要的概念之一

进程的特点

• 进程是正在执行的一个程序或命令

  • 进程是操作系统中正在执行的一个程序或命令的实例。每个进程都有一个唯一的进程标识符（PID）和一组相关的系统资源，例如内存、打开的文件和输入/输出设备

• 进程有自己的地址空间，占用一定的系统资源

  • 独立性：每个进程都是独立的实体，拥有自己的虚拟地址空间，因此一个进程无法访问另一个进程的内存空间，从而保证了进程的独立性和安全性

• 一个CPU核同一时间只能运行一个进程

  • 在单核 CPU 上，同时只能运行一个进程。因为 CPU 在同一时间只能执行一条指令，而每个进程都有自己的一组指令需要被执行，因此同一时间只能有一个进程在执行。当有多个进程需要执行时，操作系统会使用时间片轮转算法，轮流为每个进程分配 CPU 时间，以达到看起来多个进程同时运行的效果。但实际上，每个进程都只在短暂的时间内运行了一小段代码。在多核 CPU 上，可以同时运行多个进程，每个进程都可以被分配到一个 CPU 核心上运行。

• 进程由它的进程ID和它父进程的进程PPID唯一识别

  • 进程程的唯一识别是通过进程ID（PID）来实现的，PID是一个唯一的数字标识符，用于区分正在运行的不同进程。在Linux中，每个进程都有一个唯一的PID，而且PID不会重复，因此可以通过PID来确定进程的身份
  • 与进程ID相关的另一个重要的属性是父进程ID（PPID），它是创建该进程的父进程的进程ID。在Linux中，每个进程都是由另一个进程创建的，所以每个进程都有一个PPID。通过PPID，我们可以建立进程之间的父子关系，形成进程树的结构
  • 除了PID和PPID之外，每个进程还有许多其他属性，例如进程的状态、优先级、打开的文件和共享内存等信息。这些属性可以通过/proc文件系统中的相应文件来查看

进程命令

• 查看启动的Nginx进程：
  • 可以使用 ps 命令查看正在运行的进程，配合 grep 命令可以过滤出含有关键字的进程

ps aux | grep nginx

• 查看某个进程：
  • 可以使用 ps 命令查看某个进程的信息

ps -p <pid>
top -p <pid> 命令查看指定进程的系统资源使用情况

• 关闭指定的进程：
  • 可以使用 kill 命令关闭指定进程。下面命令会向进程 ID 为 的进程发送终止信号，使其退出。

kill <pid>

• 全部进程动态实时视图：
  • 可以使用 top 命令查看所有进程的动态实时信息。会打印出一个实时更新的进程列表，包含 CPU 占用率、内存占用率等信息。可以使用快捷键 q 退出 top 命令

top

问题思考

• 系统中运行的程序远远大于CPU的核数，那Liux系统是如何实现同时运行这么多程序的？

  • 进程调度是指操作系统按某种策略或规则选择进程占用CPU进行运行的过程
  • 它负责将系统中的进程分配到 CPU 的执行时间。因为一个系统中同时可能有很多进程需要运行，而 CPU 的时间是有限的，因此需要对这些进程进行调度，以便让它们都得到适当的时间片，从而使整个系统运行更加高效
  • 进程调度的目标是提高系统的资源利用率和响应速度，通过有效地利用 CPU 时间，让系统可以同时运行多个进程，从而实现高效的资源共享。常见的进程调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、时间片轮转（RR）等

• Linux系统通过操作系统内核对进程进行调度，以实现同时运行多个程序的目的。

  • Linux内核采用了抢占式调度方式，每个进程都有自己的进程控制块（PCB），内核利用调度算法动态地将CPU时间片分配给各个进程，从而实现多任务处理。

  • 当多个进程需要同时运行时，内核会对它们进行时间片轮转，即将CPU的使用时间按照时间片划分给多个进程，每个进程都能在一定时间内运行一段时间。当进程的时间片用完时，内核会将其挂起，将CPU时间片分配给下一个进程。

  • Linux系统还采用了分时系统（Time Sharing System），即让每个进程都感觉到自己是独占整个系统的，因为系统在一段时间内快速地在各个进程之间切换，所以每个进程都有足够的响应速度和计算能力。这也是Linux系统能够同时运行多个程序的重要原因

• 进程阶段

  • 创建阶段：进程在创建时，会分配资源并初始化进程控制块（Process Control Block，PCB），包括进程标识、程序计数器、CPU寄存器、内存分配情况等。
  • 就绪阶段：进程在获得了运行所需的资源后，会被放置在就绪队列中等待CPU的分配。此时进程已经准备好运行了，只是还没有得到CPU的资源。
  • 运行阶段：当进程被调度到CPU上运行时，进程的代码被加载到CPU中执行，这时进程进入运行状态。
  • 阻塞阶段：在运行过程中，如果进程需要等待某些事件（如等待I/O操作完成），就会进入阻塞状态，此时进程会释放CPU资源，直到等待的事件完成。
  • 结束阶段：当进程完成了它的任务或发生错误时，就会进入终止(僵死)状态。此时系统会回收该进程所占用的资源，并从进程表中删除该进程，也说明了这个进程结束了

进程的状态

• R、S、D、T是常见的进程状态。
  • 进程的状态会随着进程运行和系统调度而不断变化。
• 进程状态可以通过命令ps -ef或top查看
  • R(TASK_RUNNING),可执行状态
  • S(TASK_INTERRUPTIBLE),可中断的睡眠状态
  • D(TASK_UNINTERRUPTIBLE),不可中断的睡眠状态
  • T(TASK_STOPPED or TASK_TRACED),暂停状态或跟踪状态Z(TASK_DEAD-EXIT_ZOMBIE),退出状态，进程成为僵尸进程
  • X(TASK_DEAD-EXIT_DEAD),退出状态，进程即将被销毁

进程的系统调用

• 内核空间(Kernal Space)
  • 系统内核运行的空间
• 用户空间(User Space)
  • 应用程序运行的空间

• 进程的系统调用是用户程序(用户态)与内核之间的一个接口，可以让用户程序获得内核提供的服务和功能。下面是进程的系统调用的基本流程：

  1. 用户程序发起系统调用，例如调用打开文件的系统调用 open()。
  2. 程序经过用户态内核态切换后，进入内核态执行系统调用。
  3. 内核执行系统调用，并返回结果给用户程序，例如返回一个文件句柄。
  4. 程序再次经过内核态用户态切换后，回到用户态执行后续代码。

进程调度原则

• 一个CPU核同一时间只能运行一个进程

在多道程序设计中，CPU资源是必须被多个进程共享的。因为CPU核心数量是有限的，所以操作系统必须在多个进程之间进行调度，以便将CPU时间均匀地分配给它们。

• 每个进程有近乎相等的执行时间

当进程开始执行时，操作系统会根据进程的优先级和时间片大小进行调度。在进程执行的过程中，操作系统会监测进程的执行时间，并在进程的时间片用尽之前将其挂起，以便为其他进程腾出CPU时间

• 对于逻辑CPU而言进程调度使用轮询的方式执行，当轮询完成则回到第一个进程反复

操作系统通过轮询算法来进行进程调度。在轮询算法中，每个进程都被分配一个时间片，在时间片用尽之前，进程将一直运行。如果时间片用尽，则操作系统会将该进程挂起，并将CPU时间分配给下一个进程

• 进程执行消耗时间和进程量成正比

进程的执行时间与进程数量成正比。当系统中有更多的进程需要执行时，操作系统需要更多的时间来进行进程调度。这就导致了更多的上下文切换和调度时间，进而降低了系统的性能

3 总结

• Linux命令是更不熟悉的点，还需要自己多多学习
• 对于Linux的进程进行复习，印象更深刻，不过线程也很重要
• 很开心自己的学习有所产出，以后复习时候也可以拿自己文章来复习

参考

• ‍⁢‍‌⁣‬⁢‍‬⁣⁡‬⁡⁢⁤⁢⁡‍⁡⁤⁡⁢⁣​‍​‌⁡⁡⁤⁣‍‬‌​​​⁤‌⁤​‬⁣⁢‬​⁡​字节前端训练营 - Linux 基础.pptx - 飞书云文档 (feishu.cn)
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