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linux入门(5)

news 2025/10/7 13:21:47

进程和程序

一、进程和程序：静态文件与动态执行的核心区别

程序和进程是操作系统中最基础的两个概念，二者的核心差异在于 “静态存在” 与 “动态执行”，具体对比和延伸如下：

1. 核心定义与本质

对比维度	程序（Program）	进程（Process）
存在形式	静态文件（如 `.exe`、Linux 下的可执行文件）	动态执行过程（程序加载到内存后的运行实例）
核心载体	存储介质（硬盘、U 盘等）	计算机内存（运行时占用的内存空间）
状态属性	永久存在（不删除则一直保留）	临时存在（从创建到消亡，生命周期有限）
资源占用	仅占用存储资源（大小固定）	占用系统资源（CPU、内存、I/O 设备、环境变量等）

2. 经典类比：帮你快速理解

程序 = 剧本：剧本是写在纸上的静态文本，包含角色、台词、流程，不依赖 “舞台” 就能存在，且一份剧本可以复印多份。
进程 = 话剧演出：演出是剧本的 “动态执行”，需要舞台（内存）、演员（CPU）、灯光（I/O 设备）、道具（数据），且同一份剧本可以在多个剧场同时演出（同一个程序可创建多个进程）。

例如：你双击打开 2 个 “记事本”，此时 “记事本.exe” 是程序（1 个），而运行的 2 个记事本窗口就是进程（2 个），二者独立运行（关闭一个不影响另一个）。

3. Linux 系统中的进程特性

在 Linux 中，进程是操作系统 “干活” 的基本单元，每个进程都有以下独立属性，确保彼此不干扰：

独立的处理环境：包括当前用户（如 root 或普通用户）、运行目录（如 /home/user）、环境变量（如 PATH、HOME）。
独立的系统资源：操作系统会为每个进程分配唯一的 PID（进程 ID），并管理其 CPU 时间片、内存地址空间、打开的文件描述符等。

程序与进程：“文件” 和 “运行实例” 的区别
- 程序是静态的可执行文件（存放在硬盘），像 “未演出的剧本”，只占存储空间，不消耗内存和 CPU，也没有生命周期。
- 进程是程序的动态运行实例（加载到内存），像 “正在演出的话剧”，必须占用内存（存储代码、数据、状态），运行时消耗 CPU（执行指令），有明确的创建、运行、消亡过程。同一个程序可以启动多个进程（如同时打开 3 个浏览器窗口），这些进程独立占用资源，互不干扰。

单道、多道程序设计

单道程序设计

所有进程一个一个排队执行。若A阻塞，B只能等待，即使CPU处于空闲状态。而在人机交互时阻塞的出现是必然的。所有这种模型在系统资源利用上及其不合理，在计算机发展历史上存在不久，大部分便被淘汰了。

多道程序设计

在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。多道程序设计必须有硬件基础作为保证。

在计算机中时钟中断即为多道程序设计模型的理论基础。并发时，任意进程在执行期间都不希望放弃cpu。因此系统需要一种强制让进程让出cpu资源的手段。时钟中断有硬件基础作为保障，对进程而言不可抗拒。操作系统中的中断处理函数，来负责调度程序执行。

在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用CPU (分时复用CPU资源)。而当下常见CPU为纳秒级，1秒可以执行大约10亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级，所以看似同时在运行。

1s = 1000ms

1ms = 1000us

1us = 1000ns

1s = 1000000000ns

多道程序设计就像 “超市收银台”：

每个顾客（进程）有一个 “最长等待时间”（时间片），比如 5 分钟；
5 分钟到了还没处理完（比如物品太多），就先让下一个顾客（进程）上前（切换），这个顾客排到队尾等待下一次轮到自己；
如果某个顾客突然需要打电话问价格（I/O 操作），会主动走到一边等待（阻塞），让后面的顾客先处理。

这样既保证了所有顾客（进程）都能被处理，又不会让收银台（CPU）闲着，效率远高于 “一个顾客处理完再换下一个”（单道）。

并行和并发

一、并行（Parallelism）：物理上的 “真同时”

核心定义：同一时刻，多个任务在多个硬件执行单元上（多核 CPU、多处理器）真正同时执行。
图解对应：第一张图中，进程 A、B、C 的黑色执行块是连续且同时推进的 —— 因为有多个物理 “执行核心”（如多核 CPU，每个核心独立处理一个任务），所以它们能在同一时间点各自执行指令。
例子类比：“两个队列同时使用两台咖啡机”。每个队列的人都能在同一时刻用自己的咖啡机做咖啡，真正 “并行不干扰”，依赖多硬件资源（多台咖啡机）。

二、并发（Concurrency）：逻辑上的 “假同时”

核心定义：同一时刻只有一个任务在执行，但通过快速切换时间片，让多个任务宏观上看起来同时执行，微观上是 “交替串行” 的。
图解对应：第二张图中，进程 A、B、C 的黑色执行块是交替出现的 —— 因为只有一个 CPU，所以 CPU 会给每个任务分配 “时间片”（比如 10ms），时间片到了就切换下一个任务。虽然微观上每个时刻只有一个任务在跑，但切换速度极快（远超人类感知），宏观上感觉 “多个任务同时在推进”。
例子类比：“两个队列交替使用一台咖啡机”。咖啡机先给队列 1 做一点，再切换给队列 2 做一点，快速轮换。虽然咖啡机同一时刻只服务一个队列，但因为切换快，两个队列的人会觉得 “咖啡机同时在为我们服务”，不依赖多硬件，靠调度策略实现 “宏观同时”。

三、关键区别总结

对比维度	并行（Parallel）	并发（Concurrency）
硬件依赖	必须有多核 CPU、多处理器等多硬件执行单元	可在单核 CPU上实现（靠时间分片调度）
执行本质	同一时刻，多个任务物理上真正同时执行	同一时刻，只有一个任务执行；宏观 “同时”，微观 “交替串行”
典型场景	大数据计算、图形渲染等 “算力密集型” 任务	多用户请求、I/O 密集型任务（如网页服务器同时响应多个请求）

简单说：

并行是 “真・同时做多个事”，靠多硬件实现；
并发是 “装・同时做多个事”，靠调度策略在单硬件上模拟 “同时”，核心是提高资源利用率（避免单个任务阻塞导致整体停滞）。

MMU

MMU（内存管理单元，Memory Management Unit）是 CPU 内部的关键硬件组件，是多用户、多进程操作系统实现内存虚拟化与安全隔离的核心基础，主要作用可拆解为以下两点：

1. 虚拟地址 → 物理地址的 “翻译官”

进程运行时，CPU 生成的是虚拟地址（进程 “误以为自己独占” 的地址空间，无需关心物理内存的实际布局）。MMU 会将这些虚拟地址映射转换为物理地址（主存「如内存条」的真实地址），让主存能准确定位并读写数据。

举个例子：

进程 A 的虚拟地址 0x1000，可能被 MMU 映射为物理地址 0x8000；
进程 B 的虚拟地址 0x1000，可能被映射为物理地址 0x9000。这样，不同进程的 “相同虚拟地址” 会指向物理内存的不同区域，既让进程获得 “连续独立” 的地址空间，又实现了多进程对物理内存的共享。

2. 内存访问的 “安检员”

MMU 通过硬件机制，对内存访问进行权限控制与隔离保护：

可以限制访问权限（如某段内存仅允许 “读”、禁止 “写”）；
可以拦截非法访问（如进程试图访问不属于自己的内存区域时，MMU 会触发异常，防止破坏其他进程或系统内存）。

结合图示的流程

CPU 生成虚拟地址 → MMU 将虚拟地址翻译为物理地址 → 主存根据物理地址读写数据 → 数据返回给 CPU。

这种设计让进程无需感知物理内存细节，同时操作系统能灵活管理内存（如内存交换、共享），还能保障多进程间的隔离性与安全性。

进程控制块PCB

进程控制块（PCB，Process Control Block）是操作系统管理进程的核心数据结构，每个进程运行时，内核都会为其分配一个 PCB，用于记录进程的所有关键信息，支撑进程的创建、调度、资源管理等全生命周期操作。在 Linux 内核中，PCB 由 task_struct 结构体实现（定义在 linux/sched.h 中）。

一、`task_struct` 的核心作用

可以把 task_struct 理解为进程的 **“全景档案”**：操作系统通过它掌握每个进程的 “身份、状态、资源、调度策略” 等细节，从而实现对多进程的高效管理（比如决定哪个进程先运行、给进程分配内存 / 文件资源、处理进程切换等）。

二、`task_struct` 关键成员的意义（结合需求与代码）

从功能维度，task_struct 包含以下核心类别信息：

1. 进程标识与状态

进程 ID（隐含，实际由内核维护唯一 pid）：系统中每个进程的唯一编号，类似 “身份证号”，用于区分不同进程。
state 字段：表示进程状态（如代码中 volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */），常见状态有：
- 可运行（runnable）：进程就绪，等待 CPU 调度；
- 运行中（running）：进程正在 CPU 上执行；
- 阻塞 / 不可运行（unrunnable）：进程因等待资源（如 I/O、锁）暂时无法执行；
- 停止（stopped）：进程被信号暂停（如调试时的暂停）。

2. 调度与优先级

优先级相关字段：prio（动态优先级）、static_prio（静态优先级）、rt_priority（实时进程优先级）等，决定进程被 CPU 调度的 “优先程度”。
调度类与实体：sched_class（调度类，如普通进程、实时进程的调度策略）、sched_entity（调度实体，封装调度所需的队列、运行时间等信息），是 Linux 进程调度器的核心关联结构。