嵌入式 - Linux软件编程：进程

目录

一、进程：程序的动态执行实体

1. 进程与程序的本质区别

2. 进程的内存空间布局

3. 虚拟地址与物理地址的映射

4. 多进程的调度机制

5. 进程相关的命令

1. top 命令

2. ps -ef 命令

3. ps -aux 命令

4. 后台执行进程

5. jobs 命令

6. fg 命令

7. nice/renice 命令

8. kill/killall 命令

6. 进程的状态

3. 进程相关函数接口

1. fork 函数

2. getpid 和 getppid 函数

3. exit 与 _exit 函数

4. 进程回收：wait / waitpid

(1) wait 函数

(2) waitpid 函数（扩展）

4. 进程消亡

1. 孤儿进程

2. 僵尸进程

二、线程：进程内的轻量级执行单元

1. 线程与进程的核心区别

2. 线程的创建与终止

3. 线程同步机制

三、总结

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在操作系统的世界里，进程与线程是实现多任务处理的核心机制。无论是服务器后台的并发处理，还是嵌入式设备的任务调度，都离不开对进程和线程的深入理解。本文将基于 Linux 系统，详细解析进程的本质、生命周期及相关操作，并补充线程的核心知识，帮助开发者构建清晰的多任务编程认知。

一、进程：程序的动态执行实体

1. 进程与程序的本质区别

进程是程序的动态执行过程，包含创建、调度、消亡的完整生命周期。

        《进程像一个教室有不同的学生上课，每个座位号可以对应不同的学生》

而程序则是存放在外存中的一段静态数据集合，是进程运行的 "蓝图"。

打个比方，程序就像乐谱，进程则是按照乐谱进行的演奏过程 —— 同一乐谱可以被多个乐队同时演奏（多进程运行同一程序），每个演奏过程都是独立的进程。

2. 进程的内存空间布局

当进程运行时，操作系统会为其分配 0-4G 的虚拟内存空间，分为用户空间和内核空间（内核空间不允许用户直接访问）。

• 进程空间：用户空间 + 内核空间（不允许用户访问）
• 用户空间：文本段（文本区） + 数据段（数据区） + 系统数据段（堆区、栈区）

用户空间又细分为以下几个部分：

1. 文本段：存放程序的代码和指令，是只读区域，确保代码不会被意外修改。
2. 数据段：包含字符串常量、已初始化的全局 / 静态变量、未初始化的全局 / 静态变量。
   • 其特点是
   • 编译时开辟空间，
   • 程序结束时回收，
   • 且未初始化的变量会被默认设为 0 值。
3. 系统数据段：包括堆区和栈区
   • 堆区：
     • 由开发者通过malloc手动申请，
     • free释放，
     • 需注意避免内存泄露。
   • 栈区：自动存放局部变量和函数运行状态，
     • 变量超出作用域后自动回收，
     • 执行到变量定义开辟内存空间
     • 未初始化的变量值为随机值。

3. 虚拟地址与物理地址的映射

多个进程空间在操作系统中存储时，空间是独立的（物理地址是独立的）

多个进程在操作系统中共用同一个虚拟内存空间（虚拟地址是共享的）

• 虚拟地址：用户可见的地址，代表程序可寻址的范围，所有进程共享相同的虚拟地址空间。
• 物理地址：内存硬件实际存储数据的地址，每个进程的物理地址是独立的。
• MMU（内存映射单元）：负责将虚拟地址转换为物理地址，实现进程对内存的安全访问。

4. 多进程的调度机制

多进程能 "同时" 运行，本质是宏观并行、微观串行：

• 宏观上，一个 CPU 似乎在同时处理多个进程；
• 微观上，CPU 通过调度算法在进程间高速切换，实现多任务并发。

常见的调度算法包括：

• 先来先执行：按进程到达顺序调度；
• 高优先级调度：优先级高的进程优先执行；
• 时间片轮转：每个进程分配固定时间片，超时后切换到下一个进程。

5. 进程相关的命令

1. top 命令

• 示例：top
• 功能：实时查看进程的 CPU、内存占用等信息，动态刷新。
• 字段说明：
  • PID：进程唯一 ID
  • USER：进程所属用户
  • PR NI：优先级（PR 实时优先级，NI nice 值）
  • VIRT：虚拟内存占用（含交换区）
  • RES：物理内存占用（常驻内存）
  • SHR：共享内存占用
  • S：进程状态（R/S/D 等）
  • %CPU：CPU 使用率
  • %MEM：内存使用率
  • TIME+：累计运行时间
  • COMMAND：进程命令
• 退出：按 q 键

2. ps -ef 命令

• 示例：ps -ef
• 功能：查看某一时刻的全量进程信息（系统级视角）。
• 字段说明：
  • UID：进程所属用户 ID
  • PID：进程 ID
  • PPID：父进程 ID
  • C：CPU 利用率（简化值）
  • STIME：启动时间
  • TTY：关联终端（? 表示无终端）
  • TIME：累计 CPU 时间
  • CMD：进程命令
• 过滤用法：ps -ef | grep 进程名（筛选目标进程）查找与进程名对应的进程信息

3. ps -aux 命令

• 示例：ps -aux
• 功能：查看某一时刻的全量进程信息（用户级视角，含资源细节）。
• 字段说明：
  • USER：进程所属用户
  • PID：进程 ID
  • %CPU：CPU 使用率
  • %MEM：内存使用率
  • VSZ：虚拟内存大小（KB）
  • RSS：常驻内存大小（KB）
  • TTY：关联终端
  • STAT：进程状态（如 R/S/Z 等）
  • START：启动时间
  • TIME：累计 CPU 时间
  • COMMAND：进程命令

4. 后台执行进程

• 示例：./a.out &
• 功能：让进程在后台运行（& 符号标记后台任务）

5. jobs 命令

• 示例：jobs
• 功能：查看当前终端的后台进程列表

6. fg 命令

• 示例：fg %1（%1 为 jobs 查看的任务编号）
• 功能：将后台进程调至前台运行

7. nice/renice 命令

• 示例：
  • 启动时设优先级：nice -n 10 ./a.out（优先级 10）
  • 修改已有进程：renice -n 5 -p 1234（PID 1234 优先级改为 5）
• 功能：设置 / 修改进程优先级
• 注意：
  • 优先级范围：-20 ~ 20（值越小，优先级越高，需权限）

8. kill/killall 命令

• 示例：
  • 杀进程：kill -9 1234（-9 为强制终止信号 SIGKILL）
  • 杀同名进程：killall -TERM nginx（-TERM 为终止信号）
• 功能：通过信号终止进程

6. 进程的状态

进程状态	标识	含义描述
就绪态 / 运行态	R	进程在 CPU 调度队列中，随时可执行（或正在执行）
可唤醒等待态	S	等待资源（如 IO），资源就绪后可被唤醒；等待中可被信号打断
不可唤醒等待态	D	等待资源（如磁盘 IO），资源就绪后可被唤醒；等待中不可被信号打断（强阻塞）
停止态	T	进程被暂停（如 Ctrl+Z），需手动恢复
僵尸态	Z	进程已终止，但父进程未回收其 PCB，残留退出状态等信息
结束态	X	进程已终止，且内核已回收所有资源，无实际实体

3. 进程相关函数接口

1. fork 函数

• 原型：pid_t fork(void);
• 功能：创建子进程，父进程复制自身给子进程（写时复制）。
• 返回值：
  • 父进程：返回 子进程 PID（>0）。
  • 子进程：返回 0。
  • 出错：返回 -1。
• 核心特性：
  • 子进程拷贝父进程的代码段、数据段、系统数据（初始共享，修改时拷贝）。
  • 父子进程空间独立，变量修改互不影响。

注意：

子进程拷贝父进程文本段、数据段、系统数据段

父进程与子进程空间独立，同一份代码中的变量和数据都会在父子进程中各有一份，父子进程

修改自己空间的数据不会影响对方的空间

进程的PID不一样

fork的返回值不一样，父进程中返回子进程的PID，子进程中返回0

PID：一定是 > 0

#include "../head.h"int main(void)
{pid_t pid;pid = fork();if(-1 == pid){perror("fail to fork");return -1;}if(0 == pid){printf("====子进程=====\n");printf("我是子进程\n");printf("PID:%d PPID:%d\n",getpid(),getppid());printf("====end=====\n\n");}if(pid > 0) //进程的pid一定是个 大于0 的数{printf("=====父进程====\n");printf("我是父进程\n");printf("自己PID: %d 子进程pid: %d\n",getpid(),pid);printf("====end=====\n\n");}printf("hello world\n\n");// while(1)// {// }return 0;
}

 

#include "../head.h"int main(void)
{pid_t pid;pid_t xpid;pid = fork();if(-1 == pid){perror("fail to fork");return -1;}if(0 == pid){printf("1子进程\n");printf("PID: %d PPID: %d\n",getpid(),getppid());printf("======end=======\n");}else if(pid > 0){printf("=====1======\n\n");//(文本段)printf("how are you"); //会一起在 2子进程里打印//因为stdout 是标准io 遇到\n缓存//子进程 拷贝文本段,数据段,系统数据段//父子进程 "空间独立" ,同一份的代码和数据会在父子里面给有一份//父子进程修改自己空间的数据不会互相影响xpid = fork(); //从创建的时候开始 子进程2 就开始执行以下的程序printf("======2=====\n\n");if(-1 == xpid){perror("fail to fork");return -1;}if(0 == xpid){printf("2子进程\n");printf("PID: %d PPID: %d\n",getpid(),getppid());printf("======end=======\n");}       else if(xpid > 0){printf("父进程\n");printf("PID: %d 1子PID: %d ",getpid(),pid);printf("2子PID: %d\n",xpid);printf("======end=======\n"); }while(1) {//不让父进程结束,防止2子进程成为孤儿进程}}return 0;
}

• 子进程拷贝父进程的代码段、数据段、系统数据（初始共享，修改时拷贝）

#include "../head.h"int main(void)
{pid_t pid;printf("hello world");pid = fork();if (-1 == pid){perror("fail to fork");return -1;}if (0 == pid){printf("thank you!\n");}else if (pid > 0){printf("how are you\n");}return 0;
}

• 父子进程空间独立，变量修改互不影响。

#include "../head.h"int main(void)
{pid_t pid;int *pnum = NULL;pnum = malloc(4);if (NULL == pnum){perror("fail to malloc");return -1;}pid = fork();if (-1 == pid){perror("fail to fork");return -1;}if (0 == pid){*pnum = 100;printf("pnum = %p, *pnum = %d\n", pnum, *pnum);}else if (pid > 0){sleep(1);printf("pnum = %p, *pnum = %d\n", pnum, *pnum);}return 0;
}

2. getpid 和 getppid 函数

• getpid：
  • 原型：pid_t getpid(void);
  • 功能：获取当前进程的 PID。
• getppid：
  • 原型：pid_t getppid(void);
  • 功能：获取当前进程父进程的 PID。

3. exit 与 _exit 函数

• exit：
  • 原型：void exit(int status);
  • 功能：终止进程，刷新缓冲区（如标准输出缓存）后退出。
• _exit：
  • 原型：void _exit(int status);
  • 功能：终止进程，不刷新缓冲区，直接退出。
• 差异：
  • 主函数中 return 等价于 exit（触发缓冲区刷新）。
  • 非主函数中，exit 终止整个进程，return 仅终止当前函数。

#include "../head.h"int main(void)
{pid_t pid;pid = fork();if (-1 == pid){perror("fail to fork");return -1;}if (0 == pid){while (1){printf("PID:%d PPID:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}else if (pid > 0){printf("父进程即将退出!\n");printf("父进程即将退出!"); //没有 \n 会停滞在缓存区_exit(0); //不会刷新缓存区所以不会打印}return 0;
}

•  stdout 是标准IO 会缓存

4. 进程回收：wait / waitpid

(1) wait 函数

• 原型：pid_t wait(int *wstatus);
• 功能：阻塞等待任意子进程终止，回收其资源。
• 参数：wstatus 存储子进程退出状态（可通过 WEXITSTATUS 等宏解析）。
• 返回值：
  • 成功：返回已回收子进程的 PID。
  • 失败：返回 -1（如无子进程）。

#include "../head.h"int main(void)
{pid_t pid;pid_t ret;pid = fork();if (-1 == pid){perror("fail to fork");return -1;}if (0 == pid){sleep(5);printf("子进程即将退出!\n");exit(0);}else if (pid > 0){ret = wait(NULL);printf("回收到子进程(PID:%d)空间\n", ret);while (1){}}return 0;
}

(2) waitpid 函数（扩展）

• 原型：pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);
• 功能：指定回收目标子进程（更灵活，支持非阻塞）。
• 参数：
  • pid：目标 PID（-1 表示任意子进程，同 wait）。
  • wstatus：存储退出状态。
  • options：如 WNOHANG（非阻塞模式，子进程未结束时返回 0）。
• 返回值：
  • 成功回收：返回子进程 PID。
  • 非阻塞且子进程未结束：返回 0。
  • 失败：返回 -1。

4. 进程消亡

1. 孤儿进程

• 产生：父进程先终止，子进程被 init 进程（系统初始化进程）收养。
• 特性：init 会负责回收孤儿进程的资源，因此不会产生僵尸进程。

2. 僵尸进程

• 特性：是每个进程结束必然会经历的阶段
• 产生原因：
  • 子进程结束后，父进程没有回收子进程空间，导致进程执行结束但资源（如 PCB ）依然被占用的状态，称为僵尸进程
• 如何避免产生僵尸进程？
  • 让父进程先结束：子进程成为孤儿进程，被 init 进程收养；子进程再结束时，init 进程会回收其空间。
  • 父进程主动回收：子进程结束后，父进程调用 wait/waitpid 回收子进程空间。

#include "../head.h"int main(void)
{pid_t pid;pid_t ret;pid = fork();if (-1 == pid){perror("fail to fork");return -1;}if (0 == pid){sleep(5);printf("子进程即将退出!\n");exit(0);}else if (pid > 0){ret = wait(NULL);printf("回收到子进程(PID:%d)空间\n", ret);while (1){}}return 0;
}

二、线程：进程内的轻量级执行单元

进程是资源分配的基本单位，而线程是CPU 调度的基本单位。一个进程可以包含多个线程，线程共享进程的内存空间（文本段、数据段、堆区等），但拥有独立的栈区和寄存器。

1. 线程与进程的核心区别

维度	进程	线程
资源分配	独立地址空间，资源独占	共享进程资源
切换开销	大（需切换地址空间）	小（仅切换栈和寄存器）
通信方式	需 IPC（如管道、信号量）	直接访问共享内存
独立性	高（一个崩溃不影响其他）	低（共享资源，相互影响）

2. 线程的创建与终止

• 创建线程：通过pthread_create()函数，需指定线程执行的函数、参数等。
• 终止线程：pthread_exit()主动结束线程，pthread_cancel()可取消其他线程。
• 等待线程：pthread_join()阻塞等待线程结束并回收资源，类似进程的wait()。

3. 线程同步机制

由于线程共享资源，需通过同步机制避免数据竞争：

• 互斥锁（pthread_mutex_t）：确保同一时间只有一个线程访问临界资源（如全局变量）。
• 条件变量（pthread_cond_t）：让线程等待特定条件满足后再执行（如 "队列非空" 时消费数据）。
• 信号量：控制同时访问资源的线程数量（如限制 5 个线程同时读写文件）。

三、总结

进程是操作系统资源分配的基本单位，拥有独立的内存空间和完整的生命周期；线程是轻量级的执行单元，共享进程资源，适合高并发场景。理解进程的内存布局、调度机制和状态流转，掌握线程的同步方法，是编写高效 Linux 多任务程序的基础。