腾讯加面：进程的那些数据结构（一）

发表于 2年以前 | 总阅读数：325 次

开始之前，大白友情提示：这篇文章结合前几篇文章一起看效果更佳哦！

[计算机是怎样工作的]
[操作系统具体做了什么]
[源代码是怎样转化为进程的]
[进程是如何创建的]

一个周末，大白在腾讯大厦。

‍ 大白：面试官，你们不是周末还上班吧？要是周末还上班，那我不来了。

‍ 面试官：周末上班不是因为你吗？每次面试问你问题你都能引申出一堆新知识，这段时间周内光顾着面试你了，我活都没干完。今天就把之前提过但没问到的简单问下，就结束面试了啊！

--------------------当日下午，腾讯大楼，面试开始--------------------

1进程的构成

‍ 面试官：第一个问题，进程是由哪几部分组成的？

‍ 大白：其实每种操作系统在实现进程时是会有一点差别的，不过进程一般由以下几个部分组成：

进程控制块（PCB）：每个进程在创建时，系统都会为进程创建一个相应的 PCB。PCB 是进程存在的唯一标志。
程序段：程序段是进程中能被进程调度程序调度到 CPU 上执行的程序代码段。
数据段：可以是进程对应程序加工的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间结果或结果数据。

进程中 PCB 是重点。PCB 是系统为每个进程定义的一个数据结构，作用是使程序能独立运行；PCB 主要作用是保证程序并发执行。创建进程实质就是创建进程的 PCB。为了能起到上述作用，PCB 要能展示进程身份和关系，标记任务状态，标记权限，帮助任务调度等等。

2进程的状态

‍ 面试官：可以，下一个问题，进程有哪几种状态？

‍ 大白：按五态的进程模型来说，分别为创建、就绪、执行、阻塞、终止几种状态。进程转换图如下图所示：

各个状态具体情况如下：

新建态： 进程刚刚创建，通常是进程控制块已经创建，但还没加载到内存中。
就绪： 进程已获得了除处理器以外的所有资源。获得时间片就可以运行了。
运行状态： 当一个进程获得时间片在 CPU 上执行时，进程所处的状态就是运行。
阻塞状态： 正在执行的进程，由于发生事件（如等待 I/O 完成）而暂时无法执行下去，则会处于阻塞状态。
结束状态： 正常结束或其它原因中断。

3进程源码

‍ 面试官：兄弟，你这背的够溜的啊，八股文功底不错。

‍ 大白：什么叫背的？我这是有很深入的理解好吧？你居然说我是背的，来来来，今天给你上源码，我对着源码给你讲进程！打开这个页面，https://elixir.bootlin.com/linux/v5.10.23/source/include/linux/sched.h#L640 ，Linux 实现进程数据结构的源码就在这里。其实 Linux 内核中是把进程和线程统一当作任务来实现的，实现的数据结构叫做 task_struct。因为之前还没讲线程，咱们这次不关注进程和线程区别，就把 task_struct 当作进程来讲。

‍ 面试官：（坏了，我不该多嘴，这家伙有那面试牛逼症）。结合源码讲啊...那你简单讲讲吧，就对应刚才进程的各个状态那个功能。

‍ 大白：好，我给你详细讲讲。讲进程的各个状态以前，进程首先要有一个功能，就是要可以标识自己的身份，这是能找到这个进程的前提。在前面面试中讲到了进程是一个树状的结构，除了 0 号进程外，所有的进程都是由父进程创建的，所以对父进程的操作很容易就会影响到子进程。所以进程的数据结构中自然要显示出进程有哪些父子进程以及兄弟进程。我们来看下面这段代码：

我们来解释下这些字段：

pid_t pid;    //展示自己进程的 id
pid_t tgid;  //进程主线程的id
struct task_struct *group_leader;  //指向主线程地址

在 Linux 中内核中，统一把进程和线程都视为任务，统一用 task_struct 这个结构体表示。每个进程都会创建一个主线程，所以如果只是单独一个进程，以及进程默认创建的主线程，那么 pid 和 tgid 都会是自己。如果是一个进程创建的子线程，那么 pid 就是自己的 id，tgid 就指向进程主线程的 id。

接着看下面:

struct task_struct __rcu * real_parent;
struct task_struct __rcu * parent;   //指向父进程
struct list_head children;   //父进程的所有子进程都在子进程链表中，这里指向链表的头部。
struct list_head sibling;  //连接兄弟进程

‍ 面试官：牛逼！

‍ 大白：咱们再来看 Linux 中标志各个状态的源码。

通过每个状态后跟着的 16 进制数可以看出，这里状态标记很明显的用了 bitset。bitset 你可以把他想象成一个数组，每个数组只有 0 和 1 两个状态。这么多状态总共用 12 位就可表示，是哪个状态哪一位就是 1。bitset 是一个很重要的数据结构，准备面试的同学一定要掌握，适用于很多场景。

上面说进程一开始应该是就绪态，但 Linux 源码第一个却是 TASK_RUNING ，其实 TASK_RUNING 这个字段既对应了进程的就绪态又对应了进程的运行态。

TASK_RUNNING 说明进程已经准备好了，就看操作系统给不给分时间片在 CPU 上执行了，进程获得了时间片，就是执行状态，不分配时间片就是就绪状态。代表状态的字段又不用变。
TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 是两种睡眠状态，对应上面的阻塞状态。TASK_INTERRUPTIBLE 可以再被信号唤醒，TASK_UNINTERRUPTIBLE 不可被信号唤醒。
TASK_STOPPED 是在进程收到 SIGSTOP 以及 SIGTTIN 等信号的状态，你 Linux 进程运行起来按 Ctrl + z 后进程就是这个状态。
TASK_TRACED 是进程被监视的状态。
EXIT_DEAD 是最终状态，进入这个状态代表进程要从系统中删除了。
EXIT_ZOMBIE 是EXIT_DEAD 的前一个状态，这个时候进程已经终止，但父进程还没有用 wait() 等系统调用来获取他的终止信息，这个状态的进程叫做僵尸进程。这个状态 kill 命令是杀不死的，你们可以想以下应该怎样清楚僵尸进程，以及怎样避免僵尸进程的存在。