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Linux 进程初识

一、进程基础概念

1. 进程定义

• 进程：程序执行的一个实例，包括代码、数据和执行上下文
• PCB（进程控制块）：操作系统管理进程的核心数据结构（Linux中为task_struct）
• 设计原理：“先描述后组织” - 通过task_struct结构体描述进程，再通过数据结构组织管理

// Linux中的进程控制块
struct task_struct {// 包含进程所有管理信息long state;          // 进程状态pid_t pid;           // 进程IDstruct files_struct *files; // 打开的文件信息// ... 其他重要字段
};

2. 进程标识

• PID（进程ID）：唯一标识进程的无符号整数
• PPID（父进程ID）：创建当前进程的父进程ID

// 获取进程标识的系统调用
#include <unistd.h>pid_t getpid(void);   // 获取当前进程PID
pid_t getppid(void);  // 获取父进程PID

二、进程管理操作

1. 进程创建

• fork()：创建子进程的核心系统调用
• 特性：
  • 子进程继承父进程的代码和数据
  • 父子进程有独立的地址空间
  • 调用一次返回两次（父进程返回子进程PID，子进程返回0）

#include <unistd.h>pid_t fork(void);  // 返回值：// >0: 父进程，返回值为子进程PID// =0: 子进程// <0: 创建失败

2. 进程终止

• 正常终止：exit()系统调用
• 强制终止：
  • kill -9 PID：强制终止指定进程
  • Ctrl+C：终止前台进程

3. 进程查看

• 命令行工具：

  ps aux       # 查看所有进程
  top          # 动态查看进程状态
  ps -l        # 查看当前终端进程
  

• /proc文件系统：

  • 虚拟文件系统，包含所有进程信息
  • 重要目录：
    • /proc/PID/exe：进程对应的可执行程序路径
    • /proc/PID/cwd：进程当前工作目录
    • /proc/PID/status：进程状态信息

// 更改进程工作目录
chdir("/new/path");  // 系统调用

三、进程状态详解

1. 主要进程状态

状态	符号	描述
运行	R	正在CPU执行或等待调度
可中断睡眠	S	等待资源（可被信号唤醒）
暂停/追踪	T/t	暂停状态（T：信号暂停，t：调试暂停）
不可中断睡眠	D	深度睡眠（等待I/O，不可被kill）
僵尸	Z	进程结束但资源未释放
死亡	X	进程终止，资源已释放

2. 特殊进程

• 僵尸进程（Z）：
  • 进程已结束但未被父进程回收
  • 保留退出状态供父进程读取
  • 危害：导致内存泄漏
  • 解决方案：父进程调用wait()/waitpid()
• 孤儿进程：
  • 父进程先于子进程终止
  • 被1号init（PID=1，即操作系统）收养
  • 自动回收，不会成为僵尸进程

3. 状态转换机制

1. 进程运行：每一个cpu会维护一个运行队列 struct runqueue，进程只要在运行队列里，他的状态就是R。cpu会基于时间片进行轮转调度，让多个进程以切换的方式进行调度，在一个时间段内同时得以推进代码，就叫做并发。任何时刻有多个进程真的在同时运行，叫做并行。

2. 阻塞状态：S，D，在等待硬件设备资源时，将该进程从cpu运行队列中剥离下来，放入某一设备的等待队列，因此该进程不会被调度，这就是阻塞状态，当该设备数据准备就绪后，会重新将该进程放入cpu运行队列（进入队列的是test_struct，这个过程也叫唤醒）

3. 挂起状态：当内存特别不足时，有一些阻塞状态的进程，将他的代码和数据放入磁盘的swap分区内（唤出），可以清理出来一部分内存空间，此时就是挂起状态，当该进程的外设准备好数据，进程即将唤醒时，在将swap中的代码和数据拿出来（唤入），可以更合理的使用内存资源，具体也可以叫阻塞挂起态，还有其他挂起状态

4. 对比总结：

概念	描述	特点
并发	多个进程在单CPU上交替执行	宏观同时，微观交替
并行	多个进程在多CPU上同时执行	真正的同时执行
阻塞 vs 挂起	阻塞：等待资源 挂起：内存不足时移至磁盘	挂起是特殊的阻塞

四、进程调度机制

1. 上下文切换

• 上下文：CPU寄存器中的进程执行信息（当前执行位置，数据信息等）
• 切换过程：
  1. 保存当前进程上下文
  2. 加载新进程上下文
  3. 执行完新进程后，恢复旧进程上下文，继续执行
• 核心原则：保证进程执行的连续性，具体实现为上下文数据的保护和恢复
• 寄存器与寄存器信息：cpu内的寄存器，是硬件，只有一套，但是寄存器数据可以有很多套，有几个进程，就有几套和该进程对应的上下文数据，即 寄存器 != 寄存器数据

2. 进程优先级

• 优先级概念：

  指进程获取某种资源的先后顺序。

  在linux中是在task_struct 中的内部字段 int prio，Linux中优先级数字越小，优先级越高。

• 作用： 优先级高的进程有优先执行的权利，配置进城优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。

  ​ 还可以把进程运行到指定的cpu上，这样一来，把不重要的进程安排到某个cpu，可以大大改善系统整体性能。

• Linux系统中优先级指标：

  PRL：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早执行。

  NI:这个进程的nice值，即优先级的修正值，nice值不允许被任意修改，他的范围一般是[-20,19]。

  进程优先级计算： 新的优先级 = 进程优先级（固定不变，初识优先级） + nice值。

• 补充概念：

  竞争性：系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级。

  独立性：多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰。

• 查看和修改优先级：

  ps -l     # 查看进程优先级
  top       # 动态查看并管理进程
  nice -n 5 ./program  # 启动时设置优先级
  renice 10 -p PID     # 修改运行中进程优先级