进程相关知识day1

一、进程的基本概念

1. 进程的定义

   • 进程是正在执行的程序，是资源分配和调度的独立单元。
   • 例如：QQ的多个聊天窗口、一个程序中多个死循环同时执行。

2. 程序与进程的区别

   • 程序：静态的二进制文件，存储在硬盘。
   • 进程：动态的程序运行过程，存在于内存，包含创建、调度、终止等阶段。

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二、进程的调度机制

• CPU时间片轮询：CPU以毫秒级速度在多个进程/线程间切换，实现“并发”执行。

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三、进程的五态图

1. 创建态：申请PCB（进程控制块），填写信息，分配资源后进入就绪队列。
2. 就绪态：已获取除CPU外的所有资源，等待CPU调度。
3. 运行态：获取CPU资源，执行指令。
4. 阻塞态：因等待I/O操作或事件而暂停。
5. 终止态：释放资源，回收PCB。

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四、虚拟内存与物理内存

1. 物理内存：真实内存条上的存储空间。
2. 虚拟内存：
   • 进程创建时分配4GB虚拟内存（用户空间0-3G独立，内核空间3-4G共享）。
   • 虚拟内存通过映射管理物理内存，解决物理内存不足问题。
   • 32位系统虚拟内存为4GB，64位系统一般为256TB（48位地址）。

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五、进程标识

• PID：进程唯一标识符（如pidof a.out查看进程号）。
• PPID：父进程ID。
• PGID：进程组ID，默认继承父进程。
• SID：会话ID，默认继承父进程。

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六、特殊进程

1. 0号进程（PID=0）：系统引导进程（idel）。
2. 1号进程（PID=1）：init进程，回收孤儿进程。
3. 2号进程（PID=2）：kthread进程，负责调度。

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七、进程相关Shell指令

指令	用途
ps -ef	查看所有进程信息
ps -aux	查看内存使用情况
ps -ajx	查看进程树
kill -9 PID	强制终止进程（SIGKILL信号）
kill -l	查看所有信号（共62种）

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八、进程状态（man ps查看）

• R：运行/就绪
• S：可中断休眠（如等待输入）
• Z：僵尸进程（已终止但未被回收）
• D：不可中断休眠（通常为I/O）
• T：被作业控制信号停止（如Ctrl+Z挂起）

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九、关键进程函数

1. fork()

   • 功能：创建子进程，父子进程独立执行。
   • 特点：
     • 调用一次，返回两次（父进程返回子进程PID，子进程返回0）。
     • 子进程复制父进程的用户空间和文件描述符表。

2. exit()与_exit()

   • exit()：库函数，刷新缓冲区后再终止进程。
   • _exit()：系统调用，直接终止进程，不刷新缓冲区。

3. wait()/waitpid()

   • 功能：阻塞回收子进程资源，防止僵尸进程。
   • waitpid支持非阻塞模式（WNOHANG选项）。

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十、特殊进程处理

1. 僵尸进程

   • 成因：子进程终止，父进程未回收资源（wait未调用）。
   • 危害：占用系统资源。
   • 解决：通过wait回收或终止父进程（由系统回收）。

2. 孤儿进程

   • 成因：父进程终止，子进程被1号进程（init）收养。
   • 特点：无害，可被kill终止。

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十一、作业示例

• 父子进程协作拷贝文件：
  • 父进程拷贝前半部分，子进程拷贝后半部分。
  • 使用diff查看两个文件是否相同

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include<stdio.h>
#define BUF_SIZE 4096  // 定义缓冲区大小为4KB
int main()
{
    // 定义文件路径
    const char *src = "xiaoxin.bmp";      // 源文件路径
    const char *dst = "copy_xiaoxin.bmp"; // 目标文件路径
    struct stat st;      // 文件状态结构体
    int fd_src, fd_dst;  // 文件描述符
    /************************** 获取源文件大小 **************************/
    fd_src = open(src, O_RDONLY);  // 只读方式打开源文件
    if (fd_src < 0)
    {
        perror("打开源文件失败");
        return -1;
    }
    fstat(fd_src, &st);    // 获取文件状态信息
    off_t size = st.st_size; // 文件总大小
    off_t half = size / 2;   // 计算半文件大小
    close(fd_src);          // 先关闭源文件
    /************************** 创建目标文件 **************************/
    // 创建并清空目标文件（权限rw-rw-rw-）
    fd_dst = open(dst, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
    if (fd_dst < 0)
    {
        perror("创建目标文件失败");
        return -1;
    }
    ftruncate(fd_dst, size);  // 预分配目标文件空间
    close(fd_dst);            // 关闭目标文件
    /************************** 创建子进程 **************************/
    pid_t pid = fork();  // 创建子进程
    if (pid > 0)
    {       // 父进程分支
        /******************** 父进程：拷贝前半部分 ********************/
        char buf[BUF_SIZE];  // 数据缓冲区    
        // 重新打开源文件
        if ((fd_src = open(src, O_RDONLY)) < 0)
        {
            perror("父进程打开源文件失败");
            return -1;
        }
        // 以写方式打开目标文件
        if ((fd_dst = open(dst, O_WRONLY)) < 0)
        {
            perror("父进程打开目标文件失败");
            close(fd_src);
            return -1;
        }
       // 定位到文件起始位置
        lseek(fd_src, 0, SEEK_SET);
        lseek(fd_dst, 0, SEEK_SET);
        // 分块拷贝前半部分
        printf("父进程开始拷贝前数据...\n");
        for (off_t copied = 0; copied < half;)
        {
            ssize_t n = read(fd_src, buf, BUF_SIZE);  // 读取数据块
            if (n <= 0) break;
            if (write(fd_dst, buf, n) != n)
            {         // 写入数据块
                perror("父进程写入失败");
                close(fd_src);
                close(fd_dst);
                return -1;
            }
            copied += n;
        }
        close(fd_src);
        close(fd_dst);
        wait(NULL);  // 等待子进程完成
        printf("================= 文件校验 =================\n");
        // 执行diff命令校验文件
        int ret = system("diff xiaoxin.bmp copy_xiaoxin.bmp");
        if (ret == 0) {
            printf("校验结果：文件完全一致！\n");
        } else {
            printf("警告：文件内容存在差异！\n");
        }
    }
    else if (pid == 0) {  // 子进程分支
        /******************** 子进程：拷贝后半部分 ********************/
        char buf[BUF_SIZE];
        // 重新打开源文件
        if ((fd_src = open(src, O_RDONLY)) < 0)
        {
            perror("子进程打开源文件失败");
            _exit(-1);
        }
        // 以写方式打开目标文件
        if ((fd_dst = open(dst, O_WRONLY)) < 0)
        {
            perror("子进程打开目标文件失败");
            close(fd_src);
            _exit(-1);
        }
        // 定位到文件中间位置
        lseek(fd_src, half, SEEK_SET);
        lseek(fd_dst, half, SEEK_SET);
        // 分块拷贝后半部分
        printf("子进程开始拷贝后数据...\n");
        for (off_t copied = 0; copied < size - half;)
        {
            ssize_t n = read(fd_src, buf, BUF_SIZE);
            if (n <= 0) break;
            if (write(fd_dst, buf, n) != n)
            {                                                                     
                perror("子进程写入失败");
                close(fd_src);
                close(fd_dst);
                _exit(-1);
            }
            copied += n;
        }
        close(fd_src);
        close(fd_dst);
        _exit(0);  // 子进程直接退出
    }
    return 0;
}