Linux 处理进程并发：了解它是如何同时执行任务的 (linux 进程并发执行)

Linux 是一种开源操作系统，具有许多优秀的特性，其中最显眼的就是其出色的并发处理能力。在 Linux 中，进程是并发执行的基本单位。Linux 能够同时处理多个进程，具有响应迅速、高效利用 CPU 和内存等优点。本文将探讨 Linux 如何处理进程并发，以及如何了解它是如何同时执行任务的。

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一、进程调度

在 Linux 中，进程调度分为两种类型：时间片轮转调度和优先级调度。

1.时间片轮转调度

时间片轮转调度是指在多个进程之间分配时间片，依次轮流执行，使每个进程都能够得到公平的 CPU 时间。在 Linux 中，时间片的长度通常是 10 毫秒，经过该时间后，进程被暂停并放入等待队列，然后运行下一个进程。经过一段时间后，该进程又被唤醒并获得 CPU，如此周而复始。

2. 优先级调度

优先级调度是指将所有进程按照优先级从高到低排序，优先级高的进程优先被执行。在 Linux 中，进程的优先级范围从 -20 到 +19，其中 -20 是更高优先级，+19 是更低优先级。可以使用 nice 命令来调整进程的优先级。

二、进程状态

在 Linux 中，每个进程都有其所处的状态，进程状态分为五种类型：运行、等待、停止、僵尸和睡眠状态。

1. 运行状态

进程在运行时，处于该状态。在调度器中，进程的状态是可运行或正在运行。

2. 等待状态

进程在等待某些事件时，处于该状态。在内核中，进程的状态通常是不可运行的，直到等待事件发生后才能被唤醒。

3. 停止状态

进程在遇到致命错误或被用户强制停止时，处于该状态。已经停止的进程不再进行 CPU 执行。

4. 僵尸状态

进程在终止后，等待父进程调用 wt 或 wtpid 函数，处于该状态。在该状态下，内核仍然保留进程的一些信息，以便父进程可以对其进行处理。

5. 睡眠状态

进程在等待一些条件满足时，处于该状态。睡眠状态可以是可中断的或不可中断的。可中断的状态表明进程一旦满足条件就会醒来，而不可中断的状态表明进程将一直等待条件满足。

三、进程间通信

在 Linux 中，进程之间可以通过多种方式进行通信，例如信号、管道、共享内存、消息队列和套接字等。这些通信方式允许进程之间共享数据和信息，实现协作和同步等。

1. 信号

信号是一种通信机制，允许进程之间进行异步通信。以一个进程向另一个进程发送信号为例，发送进程使用 kill 命令发送信号，接受进程可以使用 signal 函数来处理收到的信号。

2. 管道

管道是一种单向通信方式，允许两个相关进程之间进行有序通信。Linux 中的管道分为匿名管道和命名管道。匿名管道只能用于父子进程之间的通信，而命名管道允许无关进程之间的通信。

3. 共享内存

共享内存允许多个进程访问同一段物理内存区域。访问共享内存的进程可以使用指针直接访问内存空间，从而在进程之间共享数据。

4. 消息队列

消息队列是一种由内核维护的缓冲区，允许一个进程向另一个进程发送消息。Linux 中的消息队列分为消息队列和 POSIX 消息队列。这两种消息队列都允许进程发送消息，但 POSIX 消息队列允许发送消息的大小和数量更多。

5. 套接字

套接字是一种通用的进程间通信方式，可以在不同主机和进程之间进行通信。套接字是一种网络编程的核心组件。

Linux 是一种出色的操作系统，具有许多优秀的特性，最显著的是其出色的并发处理能力。在 Linux 中，进程是并发执行的基本单位。Linux 能够同时处理多个进程，具有响应迅速，高效利用 CPU 和内存等优点。对于开发人员来说，了解 Linux 进程的调度、状态和通信机制是非常重要的，可以帮助他们编写更高效，更可靠的应用程序。

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首先要了解并发。

并发进程间的关系可以是无关的，也可以是有交往的。并发进程间无关是指它们是各自独立的，即如果一个空猜进程的执行不影响其他进程的执行，且与其他进程的进展情况无关，不需要特别的控制；并发进程间有交往是指一个进程的执行可能影响其他进程的执行结果，即一个进程的执行依赖其他进程的进展情况。有交往的并发进程一定共享某些资源。

进程之间互相竞争某一个资源，这种关系就称为进程的互斥，也就是说对于某个系统资源，如果一个进程正在使用，其他的进程就必须等待其用完，不能同时使用。例如，A，B两个进程共享一台打印机，如果系统已经将打印机分配给了A进程，当B进程需要打印时因得不到打印机而阻塞，只有A进程将打印机释放后，系统才将B进程唤醒，B进程才有可能获得打印机。

并发进程使用共享资源时，纳肢除了竞争之外有协作，要利用互通消息的办法来控制执行速度，使相互协作的进程正确工作。进程之间的相互合作来完成某一任务，把这种关系称为进程的同步。例如（生产者和消费者）A，B两个进程通过一个缓冲区合作完成一项任务，A进程将数据送入缓冲区后通知B进程缓冲区中有数据，B进程从缓冲区中取走数据再通知A进程缓冲区现为空。

Linux系统的进程调度

Linux进程调度

1．调度方式

Linux系统的调度方式基本上采用“

抢占式优先级

”方式，当进程在用户模式下运行时，不管它是否自愿，核心在一定条件下（如该进程的时间片用完或等待I/O）可以暂时中止其运行，而调度其他进程运行。一旦进程切换到内核模式下运行时，就不受以上限制，而一直运行下去，仅在重新回到用户模式之前才会发生进程调度。

Linux系统中的调度基本上继承了UNIX系统的

以优先级为基础

的调度。也就是说，兆答核心为系统中每个进程计算出一个优先级，该优先级反映了一个进程获得CPU使用权的资格，即高优先级的进程优先得到运行。核心从进程就绪队列中挑选一个优先级更高的进程，为其分配一个CPU时间片，令其投入运行。在运行过程中，当前进程的优先级随时间喊悄递减，这样就实现了“负反馈”作用，即经过一段时间之后，原来级别较低的进程就相对“提升”了级别，从而有机会得到运行。当所有进程的优先级都变为0（更低）时，就重新计算一次所有进程的优先级。

2．调度策略

Linux系统针对不同类别的进程提供了3种不同的调度策略，即SCHED_FIFO、SCHED_RR及SCHED_OTHER。其中，SCHED_FIFO适合于

短实时进程

，它们对时间性要求比较强，而每次运行所需的时间比较短。一旦这种进程被调度且开始运行，就一直运行到自愿让出CPU或被优先级更高的进程抢占其执行权为止。

SCHED_RR对应“时间片轮转法”，适合于每次运行需要

较长时间的实时进程

。一个运行进程分配一个时间片（200 ms），当时间片用完后，CPU被另外进程抢占，而该进程被送回相同优先级队列的末尾，核心动态调整用户态进程的优先级。这样，一个进程从创建到完成任务后终止，需要经历多次反馈循环。当进程再次被调度运行时，它就从上次断点处开始继续执行。

SCHED_OTHER是传统的UNIX调度策略，适合于交互式的

分时进程

。这类进程的优先级取决于两个因素：一个是进程剩余时间配额，如果进程用完了配给的时间，则相应优先级降到0；另一个是进程的优先数nice，这是从UNIX系统沿袭下来的方法，优先数越小，其优先级越高。nice的取值范围是-20 19。用户可以利用nice命令设定进程的nice值。但一般用户只能设定正值，从而主动降低其优先级；只有特权用户才能把nice的值设置为负数。进程的优先级就是以上二者之和。

后台命令对应后台进程（又称后台作业）。后台进程的优先级低于任何交互（前台）进程的优先级。所以，只有当系统中当前不存在可运行的交互进程时，才调度后台进程运行。后台进程往往按批处理方式调郑猜渣度运行。

3．调度时机

核心进行进程调度的时机有以下5种情况：

（1）当前进程调用系统调用nanosleep( )或者pause( )，使自己进入睡眠状态，主动让出一段时间的CPU的使用权。

（2）进程终止，永久地放弃对CPU的使用。

（3）在时钟中断处理程序执行过程中，发现当前进程连续运行的时间过长。

（4）当唤醒一个睡眠进程时，发现被唤醒的进程比当前进程更有资格运行。

（5）一个进程通过执行系统调用来改变调度策略或者降低自身的优先级（如nice命令），从而引起立即调度。

4．调度算法

进程调度的算法应该比较简单，以便减少频繁调度时的系统开销。Linux执行进程调度时，首先查找所有在就绪队列中的进程，从中选出优先级更高且在内存的一个进程。如果队列中有实时进程，那么实时进程将优先运行。如果最需要运行的进程不是当前进程，那么当前进程就被挂起，并且保存它的现场—— 所涉及的一切机器状态，包括程序计数器和CPU寄存器等，然后为选中的进程恢复运行现场。

（二）Linux常用调度命令

· nohup命令

nohup命令的功能是以忽略挂起和退出的方式执行指定的命令。其命令格式是：

nohup　command　［arguments］

其中，command是所要执行的命令，arguments是指定命令的参数。

nohup命令告诉系统，command所代表的命令在执行过程中不受任何结束运行的信号（hangup和quit）的影响。例如，

$ nohup find / -name exam.txt -print>f1 &

find命令在后台运行。在用户注销后，它会继续运行：从根目录开始，查找名字是exam.txt的文件，结果被定向到文件f1中。

如果用户没有对输出进行重定向，则输出被附加到当前目录的nohup.out文件中。如果用户在当前目录中不具备写权限，则输出被定向到$HOME/nohup.out 中。

· at命令

at命令允许指定命令执行的时间。at命令的常用形式是：

at　time　command

其中，time是指定命令command在将来执行时的时间和日期。时间的指定方法有多种，用户可以使用绝对时间，也可以用相对时间。该指定命令将以作业形式在后台运行。例如：

$ at 15:00 Oct 20

回车后进入接收方式，接着键入以下命令：

mail -s “Happy Birthday!” liuzheny

按下D键，屏幕显示：

job.a at Wed Oct 20 15:00:00 CST

$

表明建立了一个作业，其作业ID号是.a，运行作业的时间是1999年10月20日下午3:00，给liuzheny发一条标题为“Happy Birthday！”（生日快乐）的空白邮件。

利用 at　-l 可以列出当前at队列中所有的作业。

利用 at　-r 可以删除指定的作业。这些作业以前由at或batch命令调度。例如，

at　-r.a

将删除作业ID号是.a的作业。其一般使用形式是：

at　-r　job_id

注意，结尾是.a的作业ID号，表示这个作业是由at命令提交的；结尾是.b的作业ID号，表示这个作业是由batch命令提交的。

· batch命令

batch命令不带任何参数，它提交的作业的优先级比at命令提交的作业的优先级低。batch无法指定作业运行的时间。实际运行时间要看系统中已经提交的作业数量。如果系统中优先级较高的作业比较多，那么，batch提交的作业则需要等待；如果系统空闲，则运行batch提交的作业。例如，

$ batch

回车后进入接收方式，接着键入命令：

find / -name exam.txt -print

按下D。退出接收方式，屏幕显示：

job.b at Thu Nov 18 14:30:00 CST

表示find命令被batch作为一个作业提交给系统，作业ID号是.b。如果系统当前空闲，这个作业被立即执行，其结果同样作为邮件发送给用户。

· jobs命令

jobs命令用来显示当前shell下正在运行哪些作业（即后台作业）。例如：

$ jobs

+ Running tar tv3 *&

– Running find / -name README -print > logfile &

$

其中，之一列方括号中的数字表示作业序号，它是由当前运行的shell分配的，而不是由操作系统统一分配的。在当前shell环境下，之一个后台作业的作业号为1，第二个作业的作业号为2，等等。

第二列中的“ ”号表示相应作业的优先级比“－”号对应作业的优先级高。

第三列表明作业状态，是否为运行、中断、等待输入或停止等。

最后列出的是创建当前这个作业所对应的命令行。

利用 jobs　-l 形式，可以在作业号后显示出相应进程的PID。如果想只显示相应进程的PID，不显示其它信息，则使用 jobs　-p 形式。

· fg命令

fg命令把指定的后台作业移到前台。其使用格式是：

fg

其中，参数job是一个或多个进程的PID，或者是命令名称或者作业号（前面要带有一个“%”号）。例如：

$ jobs

+ Running tar tv3 *&

– Running find / -name README -print > logfile&

$ fg %find

find / -name README -print > logfile

注意，显示的命令行末尾没有“&”符号。下面命令能产生同样的效果：

$ fg %1

这样，find命令对应的进程就在前台执行。当后台只有一个作业时，键入不带参数的fg命令，就能使相应进程移到前台。当有两个或更多的后台作业时，键入不带参数的fg，就把最后进入后台的进程首先移到前台。

· bg命令

bg命令可以把前台进程换到后台执行。其使用格式是：

bg

其中，job是一个或多个进程的PID、命令名称或者作业号，在参数前要带“%”号。例如，在cc（C编译命令）命令执行过程中，按下Z键，使这个作业挂起。然后键入以下命令：

$ bg %cc

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