Linux--进程核心概念
目录
一、体系结构基础：冯·诺依曼模型
二、操作系统的定位与管理
三、进程的核心概念
1. 什么是进程？
2. 进程控制块（PCB）
3. 查看进程
4. 进程标识符（PID & PPID）
5. 创建进程（fork）
四、进程状态
僵尸进程（Zombie）
孤儿进程（Orphan）
五、进程优先级
六、环境变量
七、进程地址空间（虚拟内存）
八、进程调度
进程是Linux系统的灵魂，是系统进行资源分配和调度的基本单位。深入理解进程是掌握Linux系统编程和性能优化的基石。本文将对Linux进程的核心概念进行总结。
一、体系结构基础：冯·诺依曼模型
理解进程前，必须先了解计算机的底层工作模型。
-
核心思想：计算机由输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备五大部分组成。
-
关键强调：
-
这里的存储器特指内存。
-
CPU只能直接读写内存，无法直接访问外设。
-
所有外设的输入/输出数据都必须经过内存。
-
-
以QQ聊天时数据流为例来理解一下冯诺依曼体系架构：
-
输入：键盘敲击消息 → 输入设备 → 内存
-
处理：CPU 从内存读取数据并进行处理
-
输出：内存 → 输出设备 → 网卡发送 / 显示器显示
-
二、操作系统的定位与管理
操作系统（OS）是计算机系统的“大管家”。
-
定位：一款纯粹的管理软件，向下管理硬件，向上为用户程序提供执行环境。
-
管理内容：进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理。
-
如何管理？——“先描述，再组织”
-
描述：用
struct结构体（如task_struct）将进程的属性信息描述起来。 -
组织：用链表等高效的数据结构将多个
struct组织起来，方便进行增删改查。
-
-
系统调用 vs 库函数：操作系统将部分管理功能以系统调用的接口形式暴露，功能基础但对于了解程度要求高。开发者对其封装后形成库函数（如C库），更方便使用。
三、进程的核心概念
1. 什么是进程？
-
基本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序。
-
内核观点：担当分配系统资源（CPU时间、内存）的实体。
2. 进程控制块（PCB）
进程的所有信息都被放在一个称为进程控制块（PCB）的数据结构中。在Linux中，PCB的具体实现是 task_struct。
-
task_struct内容分类：-
标识符（PID）：唯一标识进程的ID。
-
状态：进程状态（运行、睡眠、停止、僵尸等）。
-
优先级：相对于其他进程的优先级。
-
程序计数器：即将执行的下一条指令的地址。
-
内存指针：指向程序代码、数据及共享内存的指针。
-
上下文数据：进程运行时CPU寄存器中的数据。
-
I/O状态信息：进程使用的I/O设备和文件列表。
-
记账信息：处理器时间、时间限制等。
-
-
组织方式：内核中所有
task_struct通过链表的形式组织起来。
3. 查看进程
-
命令行工具：
ps aux、ps axj、top -
文件系统：
/proc/[PID]/目录下包含了进程的详细信息。
4. 进程标识符（PID & PPID）
-
PID：当前进程的唯一ID。
-
PPID：父进程的ID。
-
系统调用：
getpid()(获取自身PID),getppid()(获取父进程PID)
5. 创建进程（fork）
-
系统调用：
fork() -
关键特性：
-
调用一次，返回两次：在父进程中返回子进程的PID，在子进程中返回0（失败则返回-1）
-
写时拷贝：子进程共享父进程的代码段，数据段在初始时也共享。只有当任何一方尝试修改数据时，才会为该数据分配独立的物理空间。这是一种高效的内存管理策略
-
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t id = fork();if (id < 0) {// fork失败perror("fork");return 1;} else if (id == 0) {// 子进程代码区printf("I am child, PID: %d\n", getpid());} else {// 父进程代码区printf("I am parent, PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), id);}sleep(1);return 0;
}-
fork后，代码共享，数据看似共享。 -
只有在任何一方尝试修改数据时，操作系统才会真正复制一份数据给修改方。
+-----------------------+
| 父进程 |
| +-----------------+ |
| | 代码段 | | (共享)
| +-----------------+ |
| | 数据段 | |<----------+
| | g_val = 0 | | (共享) | 子进程尝试修改
| +-----------------+ | | 触发写时拷贝
| | 堆、栈 | | |
| +-----------------+ | |
+-----------------------+ |
|
+-----------------------+ |
| 子进程 | |
| +-----------------+ | |
| | 代码段 | | (共享) |
| +-----------------+ | |
| | 数据段 | | (共享) |
| | g_val = 0 | |-----------+
| +-----------------+ |
| | 堆、栈 | |
| +-----------------+ |
+-----------------------+ |
|
+---------------v----+
| 内核为新数据 |
| 分配物理页面 |
| g_val = 100 |
+-------------------+
四、进程状态
Linux内核中定义的进程状态主要包括（在kernel源代码中定义）：
-
R (TASK_RUNNING)：运行或就绪态。进程正在CPU上运行或在运行队列中等待被调度。
-
S (TASK_INTERRUPTIBLE)：可中断睡眠。进程在等待某个事件完成（如等待输入），可以被信号中断唤醒。
-
D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)：不可中断睡眠。进程通常在等待I/O操作结束，不可被信号中断。这是一种深层睡眠状态。
-
T (TASK_STOPPED)：停止状态。进程被信号（如
SIGSTOP）暂停运行，可通过信号（如SIGCONT）继续运行。 -
X (TASK_DEAD)：死亡状态。进程结束运行，资源被回收。这是一个瞬时状态，用户无法捕捉。
-
Z (TASK_ZOMBIE)：僵尸状态。这是一个非常重要且需要警惕的状态。
僵尸进程（Zombie）
-
成因：子进程先于父进程退出，但父进程没有调用
wait()或waitpid()来读取子进程的退出状态信息。 -
危害：
-
维护退出状态的
PCB无法被释放，导致内存泄漏。 -
如果父进程创建大量子进程且从不回收，将耗尽系统的进程资源（PID）。
-
-
如何避免：父进程需要通过
wait系列系统调用来回收子进程资源。
孤儿进程（Orphan）
-
成因：父进程先于子进程退出。
-
处理：孤儿进程会被1号init进程（或systemd进程）领养，并由该进程负责其退出后的回收工作。这避免了僵尸进程的产生。
-
R状态是中心，是获得CPU的唯一入口。
-
S和D都是等待，但
S可被信号唤醒，D不行。 -
Zombie是子进程给父进程留的“遗嘱”，父进程不读(
wait)，遗嘱就一直留着，占着资源。 -
Orphan会被“福利院院长”init进程收养，保证其正常结束。
五、进程优先级
-
基本概念：CPU资源分配的先后顺序。
-
查看命令：
ps -l主要关注 PRI 和 NI 列。-
PRI (Priority)：进程的优先级，值越小优先级越高，越容易被调度。
-
NI (Nice)：进程优先级修正值。其关系为：
PRI(new) = PRI(old) + NI。 -
NI范围：-20 到 19。普通用户只能调高NI值（降低优先级）。
-
-
调整NI值：使用
top命令，按r后输入进程PID和新的nice值。
六、环境变量
-
基本概念：用于指定操作系统运行环境参数的变量，具有全局属性。
-
常见环境变量：
-
PATH：指定命令的搜索路径。echo $PATH -
HOME：指定用户的主工作目录。echo $HOME -
SHELL：指定当前使用的Shell。
-
-
相关命令：
-
env：查看所有环境变量。 -
export：设置一个新的环境变量。export MY_VAR=Hello -
unset：清除一个环境变量。unset MY_VAR
-
-
在程序中访问：
-
命令行参数：
main(int argc, char *argv[], char *env[]) -
全局变量：
extern char **environ; -
系统调用：
getenv()（获取），setenv()（设置）。
-
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {printf("PATH: %s\n", getenv("PATH"));return 0;
}七、进程地址空间（虚拟内存）
这是理解进程隔离和内存管理的核心。
-
现象：在 fork 后的父子进程中，修改同一个全局变量，变量的地址值相同，但内容不同。
-
结论：
-
我们在C/C++中看到的地址（
&变量）都是虚拟地址/线性地址，而非物理地址。 -
操作系统负责将虚拟地址通过页表映射到物理地址。
-
父子进程的虚拟地址相同，但被OS映射到了不同的物理页上，从而实现了进程间的独立性和写时拷贝技术。
-
-
意义：
-
保护：一个进程的错误操作（如非法内存访问）不会影响其他进程。
-
简化：让每个进程都认为自己独占整个内存空间，简化了程序员的编程模型。
-
高效：配合“写时拷贝”等技术，可以高效地利用内存。
-
+------------------------+ +------------------------------+
| 进程A | | 进程B |
| 虚拟地址空间 | | 虚拟地址空间 |
| | | |
| 0x8049768: g_val | | 0x8049768: g_val |
| ... | | ... |
+-------------------------+ +------------------------------+
↓ ↓
+---------+ +---------+
| 页表A | | 页表B |
+---------+ +---------+
↓ ↓
+-------------------------------------------------+
| 物理内存 |
| +-----------+ +---------------+ |
| | 页面1 | | 页面2 | |
| | g_val=0 | | g_val=100 | |
| +-----------+ +----------------+ |
| |
+-------------------------------------------------+
-
每个进程都有自己的虚拟地址空间，感觉自己是独占内存的。
-
通过每个进程独有的页表，将相同的虚拟地址映射到不同的物理地址上。
-
这就是进程独立性和写时拷贝得以实现的底层基础。
八、进程调度
Linux 2.6内核采用了高效的 O(1)调度算法。
-
核心数据结构：每个CPU有一个运行队列（runqueue），包含活动队列（active） 和过期队列（expired）。
-
活动队列：存放时间片未用完的所有进程，按优先级（0-139）组织成
140个队列。 -
过期队列：存放时间片已耗尽的进程，结构同活动队列。
-
调度过程：
-
调度器从活动队列的优先级最高的非空队列中选取第一个进程运行。
-
使用
bitmap位图来快速查找非空队列，时间复杂度为O(1)。 -
当活动队列为空时，交换
active和expired两个指针的值，过期队列即刻变为新的活动队列。
-
-
优点：调度过程非常高效，与系统中进程数量无关。