Linux进程（3）

接上篇：我们说到，不可能同一个变量，同一个地址，同时读取，读到不同的内容。

我们现在引出新概念，初步理解这种现象----

第二次谈进程

引入地址空间的概念

我们使用图来形象了解一下：

我们现在正式来谈谈进程地址空间的概念：

我们主要围绕下面问题展开分析：

1.什么叫做地址空间？

2.如何理解地址空间上的区域划分？

1.地址空间：

- 地址空间的形成（以32位计算机为例）：32位计算机有32根地址总线，每根总线只有0、1两种状态，因此地址范围是 [0, 2^{32}) 。若每个地址对应1字节，地址空间大小为 2^{32} 字节，即4GB。

2.如何理解地址空间上的区域划分？

我们用例子来具体形象地理解它：

struct area{int start;int end;
};
struct destop_area { // 约定最大范围100cmstruct area xiaopang;struct area xiaohua;
};
struct destop_area line_area = {(1,50), (51,100)};
// 可通过修改start和end调整区域，如：line_area.xiaopang.end -= 10;line_area.xiaohua.start += 10;形成各自都拥有自己的区域空间：
struct destop_area
{int start_xiaopang;int end_xiaopang;int start_xiaohua;int end_xiaohua;
}

我们在这里不仅仅要看到给某一个人划分的地址空间的范围：

而且，在范围内，连续的空间中，每一个最小单位都可以有地址，这个地址可以被属于这个人的之间使用。

所以，什么是地址空间？

- 地址空间的定义：在连续的空间范围内，每个最小单位都有可被直接使用的地址，这一空间范围就是地址空间。进程地址空间本质是描述进程可使用地址范围的大小。

所以，地址空间内一定要存在各种区域划分，对线性地址进行start和end.

这样看来，地址空间就跟pcb类似，本质上是内核的一个数据结构对象，地址空间也是要被操作系统管理的：先描述，再组织

所以，我们现在就可以再完善一下关于进程的概念了：

进程=内核数据结构（task_struct &&mm_struct &&页表）+程序的代码和数据

虚拟地址空间的作用：

1. 统一内存视角：让进程以一致的方式看待内存，简化进程对内存的访问逻辑。

ps:为什么？大富翁有好多个私生子的例子：

给私生子画饼，将来收100亿财产继承，但每个私生子并不知道他们各自的存在，都认为自己每个人都能有100亿

2. 保护物理内存：通过虚拟地址到物理地址的转换过程，审查寻址请求，拦截异常访问，防止物理内存被非法操作。

3. 模块解耦合：借助地址空间和页表，将进程管理模块与内存管理模块分离，使两者可独立设计与维护。

ok,上面我们只是简单引入页表，但是，我们并没有具体谈谈页表的具体内容：那么现在，我们就来谈谈关于Linux内核中的页表：

一、进程内存管理的核心结构

-  task_struct ：进程控制块，其中包含指向  mm_struct  的指针  mm_struct *mm ，是进程管理的核心数据结构。
-  mm_struct（进程地址空间） ：管理进程的内存空间，划分了用户空间（如代码段、数据段、栈等）和内核空间（高地址区域），体现了进程的虚拟地址空间布局。
- 页表与  cr3  寄存器：CPU 通过  cr3  寄存器存储页表基址，借助页表实现虚拟地址到物理地址的映射，这是内存管理的硬件支撑。

二、进程独立性的实现
进程具有独立性，是通过独立的虚拟地址空间实现的。每个进程有自己的  mm_struct  和页表，使得不同进程的虚拟地址相互隔离，即使虚拟地址相同，经页表映射后也会指向不同的物理内存区域，从而保证了进程间的内存独立性。
三、进程创建与程序加载机制
- 进程创建时，先创建内核数据结构（如  task_struct 、 mm_struct 、页表等），再按需加载可执行程序（采用惰性加载方式，避免浪费空间和时间）。
- 代码段和字符串常量区被设置为只读，这是为了防止进程运行时意外修改代码，保证程序执行的一致性与安全性。
四、惰性加载与缺页中断
- 操作系统对大文件（或程序）采用惰性加载方式，即并不在进程创建时就将所有代码和数据加载到内存，而是用到时再加载。
- 当进程访问的虚拟地址未加载到物理内存时，会触发缺页中断。此时操作系统会从磁盘（如硬盘）中读取对应的数据或代码，加载到物理内存，并更新页表映射，从而让进程继续执行。这一机制也解释了“如何知道进程的代码/数据不在内存”——通过缺页中断的触发来感知。
五、操作系统的设计共识
现代操作系统遵循“几乎不做任何浪费空间和浪费时间的事情”的原则，例如惰性加载就是这一原则的体现，避免了不必要的内存占用和 IO 开销。

进程终止：

我们常见的进程终止的场景有哪些？

1.代码运行完毕，结果正常

2.代码运行完毕，结果不正常

3.代码异常终止

在进程当中，谁会关心我运行的情况呢？

一般而言是我们进程的父进程要关心！关心什么？

关心它为什么不正确。所以可以用return的不同的返回值数字，表征不同的出错原因，即退出码

父进程为什么要关心？

代码异常终止本质可能就是代码没有跑完，进程的退出码无意义，我们不关心退出码了。

那你要不要关心我为什么异常了呢？以及我发生了什么异常？要，肯定要！

进程出现异常，本质是我们的进程收到了对应的信号

进程退出的方法：

查看进程退出码：

echo $?: 保存的是最近一次进程退出的时候的退出码。

正常退出：

1.从main返回

2.从exit返回

3.从_exit返回

异常退出：

ctrl+c

main函数的返回值，本质表示：进程运行完成时是否是正确的结果，如果不是，可以用不同的数字，表示不同的出错原因！

130是什么呢？我们来打印一下它的

我们可以看到，他们的退出码都是一样的，那么exit与_exit有什么区别呢？

_exit函数：

 

- 进程会“立即”终止，所有打开的文件描述符会被关闭；进程的子进程会被进程1（ init 进程）继承；父进程会收到 SIGCHLD 信号。

- 参数 status 会作为进程的退出状态返回给父进程，父进程可通过 wait(2) 系列调用收集该状态。

说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255。

exit函数

exit最后也会调用exit, 但在调用exit之前，还做了其他工作：

1. 执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数。

2. 关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入

3. 调用_exit

那么，我们的printf一定是先把数据写入缓冲区中，合适的时候，在进行刷新！

这个缓冲区绝对不在内核中！！！

我们来证明一下：

return退出：

return是一种更常见的退出进程方法。执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit的参数。

进程等待

- 是什么：通过系统调用 wait / waitpid ，实现对子进程的状态检测与资源回收功能。
- 为什么
- 必要性：僵尸进程无法被直接杀死，需通过进程等待回收，否则会引发内存泄漏问题。
- 可选性：可通过进程等待获取子进程的退出情况，了解子进程任务的完成状态（可选择关心或不关心）。
- 怎么办
- 代码层面：父进程调用 wait / waitpid 来回收僵尸进程。

认识wait/waitpid

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);
返回值：
成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
参数：
输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
返回值：
当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；
如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；
参数：
pid：
Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
status:
WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
options:
WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进
程的ID。
如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退
出信息。
如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。
如果不存在该子进程，则立即出错返回。

获取子进程status

wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。

如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息。

否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）

父进程等待，期望获得子进程退出的哪些信息？

1.子进程代码是否异常

2.没有异常，但结果对吗？exitcode,如果不对的话是因为什么呢？

因此我们的退出码的不同，表示出不同的出错信息。

那么，我们可不可以自己自定义错误码的信息呢？

肯定是可以的，就比如说我们后面要实现日志功能，就会自己设计错误码信息。

在那里，我们会使用enum来自己实现。

ps:父进程要拿子进程的状态数据，任意数据，为什么必须要用wait等系统调用呢？

因为进程具有独立性。

进程阻塞的等待方式：

阻塞5s:

非阻塞等待方式：

好了，关于本次的分享到处结束啦，希望大家一起进步！

最后，到了本次鸡汤环节：

愿你事事美满！