Linux 进程

本次内容：

1.理解进程概念，了解PCB

2.学习进程状态，学会创建进程，掌握僵尸进程和孤儿进程，及其形成原因和危害

3.了解进程调度，Linux进程优先级，理解竞争性与独立性，理解并行与并发

4.理解C内存空间分配规律，了解进程内存映像和应用程序区别，认识地址空间

一 进程

1.什么是进程

定义：运行中的程序（程序是静态的代码，进程是动态的执行实例）

程序就像食谱，进程像厨师按照食谱做饭的过程

核心特点：

独立性：每个进程有独立的地址空间

并发性：多个进程可以同时运行（通过CPU时间片轮换）

2. 为什么需要进程？

1.资源分配：操作系统以进程为单位分配CPU，内存等资源

2. 多任务管理：通过进程隔离，避免程序间互相干扰（例如浏览器崩了不影响音乐软件）

3.PCB

1.什么是PCB

定义：操作系统为每个进程维护的一个数据结构，记录进程的关键信息

作用：操作系统用来记录进程所有状态信息的数据结构，（管理进程）

PCB与进程的关系：（类似档案）

1.进程与PCB同时存在（PCB是进程存在的唯一标准）

2.PCB随进程的创建而存在，进程终止二销毁

3.根据PCB里的状态和优先级决定进程的优先级

进程生命周期：

创建 -> 运行 -> 阻塞 / 就绪 -> 终止

2.PCB包含内容：

4.task_struct（Linux中的PCB）

1.Linux如何实现PCB

内核源码中的task_struct**：Linux用这个结构体表示PCB（定义在include/linux/sched.h）

2.如何查看进程的task_struct

ps -aux//查看进程列表（用户态视角的简化信息）

5.进程的声生命周期与PCB关系

1.进程状态切换

PCB的作⽤：状态变化时，内核更新PCB中的state字段，并保存/恢复寄存器值。

2.进程切换

CPU快速切换，我们以为在同时进行（但是频繁切换会降低性能）

本质：

1.保存当前进程的PCB

2.加载下一个进程的PCB到CPU

6.组织进程

内核中，所有的task _struct通过tasks字段（struct list_head）连接成一个双向循环链表

优势：

1.高遍历所有进程

2.动态增删（只需要修改指针）

7.查看进程

通过 /proc系统文件夹查看

例如获取PID为1的进程信息，需要查看/proc/1这个文件夹

⼤多数进程信息同样可以使⽤top和ps这些⽤⼾级⼯具来获取

ps -aux 文件名

8.通过系统调用获取进程标识符

进程： 进程id（PID） 父进程id（PPID)

系统调用：getpid（） getppid（）

关键点

•PID是唯⼀的：操作系统通过PID区分不同进程。

•⽗进程：⼤多数进程由shell或其他进程创建（类似“⽗⼦关系”）。

9.通过系统调用创建进程-fork

fork()：复制当前进程，创建⼀个⼦进程。（调⽤⼀次，返回两次；⽗进程⼏乎原封不动地"克隆"出⼀个⼦进程。）

核心特性：

fork()让⼦进程继承家产（内存、⽂件描述符），

但不继承⾝份（PID/PPID）、不继承历史（CPU时间、挂起信号）、不继承约束（⽂件锁、定时器）。⼦进程是⼀个全新的个体，

⼦进程获得⽗进程数据段、堆栈段的完整副本，⽗进程和⼦进程拥有独⽴的地址空间，任⼀进程的修改不会影响另⼀个进程

进程在CPU时间统计

10.程序替换-exec家族

fork可以创建⼀个全新⼦进程，但⼦进程默认执⾏和⽗进程⼀模⼀样的代码。很多场景我们希望⼦进程去运⾏⼀个完全不同的外部程序

1.execve系统调用

功能：

替换当前进程的代码段、数据段、堆、栈，执⾏⼀个新程序。

execve是唯⼀真正的系统调⽤；execl/execlp/execv/execvp/execle均为glibc库函数

特点：

•成功：不返回（当前进程被替换）

•失败：返回-1

注意：

①exec不改变进程PID

②⽂件描述符继承规则，exec执⾏时，默认已经打开的⽂件描述符会继承到新程序；只有设置了FD_CLOEXEC标志位的fd，执⾏exec时⾃动关闭。

③信号处理继承规则，

exec替换程序之后：

1.⽤⼾⾃定义的信号处理函数全部重置为系统默认⾏为

2.信号阻塞掩码会保留不变

2.execl/execlp/execv/execvp

对⽐四个常⽤库函数的区别

命名规则：

•l：list，参数以可变参数列表逐个传⼊，末尾必须填NULL

•v：vector，参数放到字符串数组中统⼀传⼊，数组末尾必须是NULL

•p：path，会⾃动读取PATH环境变量搜索可执⾏⽂件，只需写程序⽂件名，不⽤写完整路径

注意：1.列表形式l，参数⼀个个写，最后强制NULL结尾；

2.数组形式 v适合参数数量动态变化的场景；

3.带p不⽤写绝对路径，不带p必须提供可执⾏⽂件完整路径。

3.exec函数对比总结

l列表 v数组 p找路径 e环境

二 进程状态

•CPU数量有限（通常只有⼏个），但进程数量可能成百上千

•操作系统需要⼀种⽅式来跟踪每个进程当前在做什么

•根据进程状态，操作系统决定如何分配CPU资源

1.进程状态机

就绪等CPU，运⾏占CPU，阻塞等I/O。调度算法决定谁上谁下。

就绪与阻塞：

就绪态是可运⾏但未分配CPU，阻塞态是因资源不可⽤⽆法运⾏，⼆者区分提⾼了调度效率。

进程状态查看：

1. ps axu （查看所有进程状态 STAT列）

2. ps ef

3. top （动态查看进程状态和内存）

4.ps aux | grep 文件

STAT列含义：

◦R：运⾏或就绪

◦S：可中断休眠（等待事件）

◦D：不可中断休眠（通常等待I/O）

◦Z：僵⼫进程

◦T：暂停状态（如Ctrl+Z挂起）

◦I：空闲状态

2.僵尸进程

定义：

⼦进程终⽌后，⽗进程未调⽤wait()或waitpid()回收其资源，导致内核保留⼦进程的退出状态（PCB残留）

关键特点：

◦进程已死亡，但仍占⽤**进程ID**（PID）和少量内核资源。

◦⽆法⽤kill命令杀死（因其已终⽌）。

查看⽅式

危害：

1.⽗进程不断创建⼦进程，⼦进程退出后变成僵⼫，⽗进程不回收，僵⼫越积越多

2.PID号被⼤量僵⼫进程占⽤有限（通常最⼤值32768或更⼤，如/proc/sys/kernel/pid_max）

3.系统⽆法分配新PID→新进程创建失败

4.PCB（进程控制块）占⽤内核内存

解决：

◦⽗进程调⽤wait()或waitpid()主动回收。

◦若⽗进程不处理，可终⽌⽗进程，僵⼫进程会被init接管并清理。

3.进程等待 -wait/waitpid

用处：

1.回收⼦进程资源，避免僵⼫进程

2.获取⼦进程的退出状态（正常退出码or被信号终⽌）

wait函数

功能：阻塞等待任意⼀个⼦进程结束，回收其资源。

参数status：传出参数，⽤于获取⼦进程的退出状态。如果不需要，可传NULL。

waitpid函数

功能：等待指定⼦进程结束，可设置⾮阻塞模式。

参数：

status获取退出状态

wait与waitpid对比

wait和waitpid是回收⼦进程、避免僵⼫进程的核⼼函数。

wait简单但功能有限，waitpid更灵活，⽀持⾮阻塞和指定⼦进程。

pid_t说明

pid_t是Linux系统专⻔为进程ID定义的类型别名（typedef），本质底层就是int

凡是和进程ID相关的返回值、变量，统⼀使⽤pid_t类型

简单总结：

pid_t返回值告诉你“哪个⼦进程死了”，status变量告诉你“⼦进程怎么死的、退出码是多少”

4.孤儿进程

定义：⽗进程先于⼦进程终⽌，⼦进程被init/systemd进程⾃动接管。

•关键特点：

◦孤⼉进程仍在正常运⾏，⽆危害

◦init进程会定期调⽤wait()清理其终⽌后的资源

孤儿进程与僵尸进程

三 进程优先级

在多任务系统中，CPU资源有限，操作系统需要决定哪个进程优先获得CPU时间。优先级⾼的进程会被调度器更频繁地执⾏。

例如：后台下载任务（低优先级）vs ⽤⼾交互程序（⾼优先级）。

1.查看系统进程

用ps -AI命令

我们收到信息之后，可以看到

UID:代表执⾏者的⾝份

PID:这个进程的代号

PPID：⽗进程的代号

PRI：代表这个进程可被执⾏的优先级，其值越⼩越早被执⾏

NI：代表这个进程的nice值，其表⽰进程可被执⾏的优先级的修正数值，表⽰⼀个进程愿意让出CPU的程度，nice值越大越友善（-20⾄19）

调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值

查看nice值：

ps -eo pid,ni,comm,args | head -10

PRI与NI