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Day27 进程管理（PCB、状态、调度、原语与资源管理）

news 2025/8/26 8:20:42

day27 进程管理（PCB、状态、调度、原语与资源管理）

进程的含义

进程是程序执行的动态过程，涉及内存资源分配和CPU调度。其核心组件与特性如下：

PCB（Process Control Block）：操作系统内核中的结构体（如Linux的task_struct），存储进程所有状态信息，包括：
- PID（进程标识符）：唯一身份标识
- 当前工作路径（通过chdir设置，pwd查看）
- 文件描述符（fd）列表及打开的文件信息
- 信号处理设置（用于异步I/O）
- 用户ID/组ID
- 资源上限（通过ulimit -a查看，例如栈大小8MB、打开文件数1024）
资源管理：进程占用CPU、内存（RAM）、闪存（Flash）、固态硬盘（SSD）等物理资源，通过虚拟地址映射（MMU管理）隔离物理内存，每页4KB。
内存空间划分：
- 0-3GB：用户空间（包含代码段、数据段、堆、栈）
- 3-4GB：内核空间（共享）
- 虚拟地址优势：提供隔离性和权限控制

进程和程序的区别

特性	程序	进程
本质	静态实体（存储在硬盘的代码和数据集合）	动态实体（程序执行的完整过程）
生命周期	永久存在	暂时存在（创建→调度→消亡）
状态变化	无状态变化	有状态变化（就绪/运行/阻塞等）
并发性	无并发	可并发执行
资源竞争	不竞争资源	进程间竞争CPU、内存等资源
实例关系	一个程序可运行多次生成多个进程	一个进程可运行一个或多个程序

内存布局示例：

.c 源文件 → gcc 编译 → a.out 可执行文件 (ELF格式) → 进程(PID)|├─ 虚拟地址空间 (0-3GB)│   ├─ 代码段 (只读，存放指令)│   ├─ 数据段 (全局/静态变量，读写)│   ├─ 堆 (malloc/free，<3GB)│   ├─ 共享库 (如libc.so，通过mmap映射)│   └─ 栈 (局部变量/参数，8MB)└─ 内核空间 (3-4GB)

地址空间说明：
- 32位系统：4GB虚拟地址空间（2^32）
- 64位系统：256TB虚拟地址空间（2^48）

进程的作用与并发并行区别

核心作用：实现任务并发执行，提升系统资源利用率
并发 vs 并行：
- 并发：单CPU上快速切换执行多个任务（微观串行，宏观并行）
- 并行：多CPU同时执行多个任务（真正同时运行）

并发执行示例：

while (1) {          // 主循环while (1) {      // 子任务循环（如接收控制指令）// 处理上下左右方向}// 发送视频流
}

说明：通过进程/线程切换实现多任务交替执行，避免单任务阻塞

进程的状态

基本状态转换

就绪态 → (CPU调度) → 运行态 → (条件不满足) → 阻塞态 → (条件满足) → 就绪态

Linux进程状态标识（`ps aux`输出）

状态符	含义	说明
R	运行/就绪态	正在CPU执行或等待调度
S	可中断睡眠态	等待事件（可被信号唤醒）
D	不可中断睡眠态	等待I/O完成（不可唤醒）
T	暂停态	被信号停止（如SIGSTOP）
Z	僵尸态	进程已终止但资源未回收
（无）	结束态	资源完全回收

进程的调度与上下文切换

调度核心：内核通过调度算法分配CPU时间片
上下文切换：保存/恢复进程状态（寄存器、PC指针等），涉及：
- 程序计数器（EIP）
- 栈指针
- 通用寄存器

调度算法

算法	说明
先来先服务(FCFS)	按到达顺序执行
短任务优先(SJF)	优先执行预计运行时间短的任务
多级反馈队列	分优先级队列，动态调整

关键特性：宏观上多进程并行，微观上CPU串行执行

查询进程相关命令

1. `ps aux`

功能：查看进程实时状态
关键字段：
- STAT：进程状态（R/S/D/T/Z）
- PID：进程ID
- PPID：父进程ID
安装树状工具：sudo apt install pstree

2. `top`

功能：动态监控CPU/内存占用率最高的进程

3. `kill` / `killall`

发送信号：

kill -2 <PID>     # 发送SIGINT（默认终止进程）
kill -9 <PID>     # 发送SIGKILL（强制终止）
killall -9 a.out  # 终止所有a.out进程

进程原语

1. `fork()`

功能：创建子进程（父进程的副本）
特性：
- 一次调用，两次返回（父进程返回子PID>0，子进程返回0）
- 子进程复制父进程0-3GB空间及PCB，但PID不同
- 写时复制（COW）机制：修改时才复制内存
- 执行顺序不确定（需IPC同步）

代码示例与注释：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main(int argc, char *argv[])
{pid_t ret = fork(); // 创建子进程，返回两次if(ret > 0) // 父进程分支（ret = 子进程PID）{while(1) // 父进程无限循环{printf("father,发视频....\n");sleep(1); // 暂停1秒控制输出频率}}else if(0 == ret) // 子进程分支（ret = 0）{while(1) // 子进程无限循环{printf("child,接收控制....\n");sleep(1);}}else // fork失败{perror("fork err\n");return 1;}return 0;
}

理想运行结果：
father,发视频…
child,接收控制…
father,发视频…
child,接收控制…
（交替输出，顺序取决于调度）

变量隔离验证：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int a = 20; // 全局变量
int main()
{pid_t ret = fork();if(ret > 0) // 父进程{sleep(3); // 确保子进程先修改printf("father ,a is %d\n", a); // 输出20}else if(0 == ret) // 子进程{a += 10; // 修改副本printf("child ,a is %d\n", a); // 输出30}printf("a is %d\n", a); // 父进程输出20，子进程输出30return 0;
}

理想运行结果：
child ,a is 30
a is 30
father ,a is 20
a is 20

2. `getpid()` 与 `getppid()`

功能：
- getpid()：获取当前进程PID
- getppid()：获取父进程PID

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t ret = fork();if(ret > 0) // 父进程{sleep(3);printf("father ,pid:%d ppid:%d\n", getpid(), getppid());}else if(0 == ret) // 子进程{printf("child ,pid:%d ppid:%d\n", getpid(), getppid());}printf("pid:%d ppid:%d\n", getpid(), getppid());return 0;
}

理想运行结果：
child ,pid:26205 ppid:26204
pid:26205 ppid:26204
father ,pid:26204 ppid:3199
pid:26204 ppid:3199
（3199为终端父进程ID）

3. 多重fork()分析

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{fork() && fork() || fork(); // 逻辑运算符触发5个进程printf("pid:%d\n", getpid());return 0;
}

进程关系：
1个父进程 → 生成4个子进程（含1个孙进程）
理想运行结果：
pid:1001
pid:1002
pid:1003
pid:1004
pid:1005
（共5行输出，PID顺序不定）

父子进程的关系

核心关系：子进程是父进程的副本（共享代码段，数据段写时复制）
关键区别：
1. fork()返回值不同（父进程>0，子进程=0）
2. PID/PPID不同
3. 资源计数器重置（如文件描述符）
执行起点：子进程从fork()后开始执行
典型场景：
- 网络服务：父子进程执行相同代码
- 程序替换：fork() + exec()执行新程序

进程的终止

8种终止情况

类型	方式	说明
正常终止	1. `main()`中`return`	返回退出状态
	2. `exit()`	刷新缓冲区，调用`atexit`注册的清理函数
	3. `_exit()`/`_Exit()`	不刷新缓冲区，直接终止
	4. 主线程`return`	仅终止当前线程
	5. `pthread_exit()`	线程级退出
异常终止	6. `abort()`	发送SIGABRT信号
	7. `kill`信号	如`kill -9 PID`
	8. `pthread_cancel()`	取消最后一个线程

`exit()` vs `_exit()`

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{printf("hello"); // 无换行符，缓冲区未刷新// exit(0);     // 会刷新缓冲区 → 输出"hello"_exit(0);        // 不刷新缓冲区 → 无输出return 0;
}

关键区别：

exit(0)：先刷新I/O缓冲区，再执行清理函数，最后调用_exit()
_exit(0)：立即终止，不处理缓冲区和清理函数
理想结果：
用exit(0)时输出hello
用_exit(0)时无输出

僵尸进程和孤儿进程

僵尸进程

成因：子进程终止但父进程未回收资源（wait()未调用）

验证代码：

int main()
{pid_t ret = fork();if(ret > 0) // 父进程{while(1) { printf("father,发视频....pid:%d ppid:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}else // 子进程{sleep(3); exit(0); // 子进程终止，但父进程未回收 → 僵尸}return 0;
}

现象：ps aux中子进程状态为Z，资源未释放

孤儿进程

成因：父进程先于子进程终止，子进程被init接管

验证代码：

int main()
{pid_t ret = fork();if(ret > 0) // 父进程{sleep(3); exit(0); // 父进程提前终止}else // 子进程{while(1) { printf("child,接收控制....pid:%d ppid:%d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}}return 0;
}