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1. 进程的基本概念

1.1 进程的定义

进程就是运行中的程序。程序本身是没有生命周期的，它只是存在磁盘上面的一些指令（也可能是一些静态数据）。是操作系统让这些字节运行起来，让程序发挥作用。

1.2 CPU的时分共享

操作系统通过让一个进程只运行一个时间片，然后切换到其他进程，提供了存在多个虚拟CPU的假象。这就是时分共享（time sharing）CPU技术，允许用户如愿运行多个并发进程。潜在的开销就是性能损失，因为如果CPU必须共享，每个进程的运行就会慢一点。

1.3 进程的机器状态

进程的机器状态包括：

• 内存：进程可以访问的内存（称为地址空间，address space）
  • 指令存在内存中
  • 正在运行的程序读取和写入的数据也在内存中
• 寄存器：
  • 程序计数器（Program Counter，PC）：告诉我们程序当前正在执行哪个指令
  • 栈指针（stack pointer）和帧指针（frame pointer）：用于管理函数参数栈、局部变量和返回地址

2. 程序与进程的区别

• 程序（Program）：一个静态实体，通常是以可执行文件形式存储在磁盘上的指令和数据的集合
• 进程（Process）：程序的动态执行实例，运行时加载到内存中，拥有独立的地址空间、执行状态和系统资源

简单来说，程序是静态的"蓝图"，而进程是程序被激活后的"活体"。

3. 操作系统启动并运行程序的过程

3.1 加载程序到内存

1. 定位可执行文件：根据用户命令或系统调用找到磁盘上的可执行文件
2. 读取文件头部：
   • 入口点（Entry Point）：程序开始执行的地址
   • 段信息：代码段、数据段等的地址和大小
3. 从磁盘读取字节：
   • 代码段：包含程序的指令，通常是只读的
   • 数据段：包含初始化的全局变量和静态变量
   • BSS段：包含未初始化的全局变量
4. 分配虚拟地址空间：为进程分配独立的虚拟地址空间
5. 按需加载（可选）：延迟加载优化性能

3.2 分配堆栈和堆

• 堆栈（Stack）：存储函数调用信息、局部变量等
• 堆（Heap）：用于动态内存分配

3.3 设置执行环境

• 寄存器初始化
• 命令行参数和环境变量
• 文件描述符

3.4 创建进程控制块（PCB）

记录进程元数据，包括：

• 进程ID（PID）
• 进程状态
• 内存管理信息
• 打开的文件描述符

3.5 调度执行

进程被加入就绪队列，等待CPU调度

4. 进程状态

进程的三种基本状态：

• 运行（running）：在处理器上运行，执行指令
• 就绪（ready）：准备好运行，但操作系统选择不在此时运行
• 阻塞（blocked）：执行了某种操作，直到发生其他事件时才会准备运行
  从就绪到运行意味着该进程已经被调度（scheduled）。从运行转移到就绪意味着该进程已经取消调度（descheduled）。一旦进程被阻塞（例如，通过发起 I/O 操作），OS 将保持进程的这种状态，直到发生某种事件（例如，I/O 完成）。此时，进程再次转入就绪状态（也可能立即再次运行，如果操作系统这样决定）。

寄存器上下文将保存其寄存器的内容。当一个进程停止时，它的寄存器将被保存到这个内存位置。==通过恢复这些寄存器（将它们的值放回实际的物理寄存器中）​，==操作系统可以恢复运行该进程。我们将在后面的章节中更多地了解这种技术，它被称为上下文切换（contextswitch）​。

5. 进程管理系统调用

5.1 fork系统调用

• 创建一个新进程，作为调用进程的副本
• 子进程复制父进程的地址空间、PCB等
• 父进程返回子进程PID，子进程返回0

#include <stdio.h>      // 包含标准输入输出库，提供 printf() 等函数
#include <stdlib.h>     // 包含标准库，提供 exit() 函数等
#include <unistd.h>     // 包含 UNIX 标准函数声明，提供 fork()、getpid() 等int main(int argc, char *argv[])  // 程序入口，argc/argv 用于获取命令行参数{// 在创建子进程之前，先打印当前进程的 PID（进程标识符）printf("hello world (pid:%d)\n", (int)getpid());// 调用 fork()，创建一个新进程（子进程）int rc = fork();if (rc < 0) {            // fork 返回值小于 0，表示创建子进程失败fprintf(stderr, "fork failed\n");  // 向标准错误输出错误信息exit(1);            // 退出程序，并返回非零状态码表示异常} else if (rc == 0) {    // fork 返回值等于 0，表示当前是子进程// 子进程执行的代码路径printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());} else {                 // fork 返回值大于 0，表示当前是父进程// rc 存储的是子进程的 PIDprintf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n",rc, (int)getpid());}return 0;  // 程序正常退出，返回值 0}

子进程并不是完全拷贝了父进程。具体来说，虽然它拥有自己的地址空间（即拥有自己的私有内存）​、寄存器、程序计数器等，但是它从fork()返回的值是不同的。父进程获得的返回值是新创建子进程的PID，而子进程获得的返回值是0。
系统显示父进程先执行，但是这是随机的，CPU调度程序（scheduler）决定了某个时刻哪个进程被执行

5.2 wait系统调用

• 父进程阻塞直到子进程结束
• 返回已结束子进程的PID

#include <stdio.h>      // 标准输入输出，提供 printf()
#include <stdlib.h>     // 标准库，提供 exit()
#include <unistd.h>     // POSIX API，提供 fork()、getpid()
#include <sys/wait.h>   // 等待子进程，提供 wait()int main(int argc, char *argv[])
{// 在 fork 之前，先打印当前进程（父进程）的 PIDprintf("hello world (pid:%d)\n", (int)getpid());// 创建一个新进程；父进程中 rc > 0，子进程中 rc == 0，失败时 rc < 0int rc = fork();if (rc < 0) {// fork 调用失败fprintf(stderr, "fork failed\n");exit(1);} else if (rc == 0) {// 子进程执行这里的代码printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());} else {// 父进程执行这里的代码// wait(NULL) 阻塞直到任意子进程结束，返回值是已结束子进程的 PIDint wc = wait(NULL);printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",rc, wc, (int)getpid());}return 0;  // 正常退出
}

5.3 exec系统调用

• 在当前进程中加载并执行新程序
• 替换当前地址空间
• 重置堆栈、堆和寄存器

#include <stdio.h>      // 标准输入输出，提供 printf()
#include <stdlib.h>     // 标准库，提供 exit()
#include <unistd.h>     // POSIX API，提供 fork()、execvp()、getpid()
#include <string.h>     // 字符串操作，提供 strdup()
#include <sys/wait.h>   // 等待子进程，提供 wait()int main(int argc, char *argv[])
{// 程序启动时打印当前进程（父进程）的 PIDprintf("hello world (pid:%d)\n", (int)getpid());// 创建子进程：父进程 rc>0，子进程 rc==0，失败时 rc<0int rc = fork();if (rc < 0) {// fork 失败，打印错误并退出fprintf(stderr, "fork failed\n");exit(1);}else if (rc == 0) {// 子进程执行此路径printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int)getpid());// 准备 execvp 的参数数组// myargs[0] 指定要运行的程序名 "wc"// myargs[1] 指定要处理的文件 "p3.c"// myargs[2] 置 NULL，标记参数数组结束char *myargs[3];myargs[0] = strdup("wc");      myargs[1] = strdup("p3.c");   myargs[2] = NULL;// 用 execvp 替换当前子进程映像，执行 word count 程序execvp(myargs[0], myargs);// 如果 execvp 返回，说明执行失败，才会走到这里perror("execvp failed");exit(1);}else {// 父进程执行此路径// wait(NULL) 阻塞直到任意子进程结束，返回已结束子进程的 PIDint wc = wait(NULL);// 打印父进程信息，rc 是子进程的 PID，wc 是 wait 返回的 PIDprintf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",rc, wc, (int)getpid());}return 0;  // 正常退出
}

要点说明

• strdup()：复制字符串并返回指向新内存的指针，用于给 execvp 准备参数。
• execvp()：用指定程序替换当前进程映像，不返回成功；如果失败，会返回 -1，此时应打印错误并退出。
• wait(NULL)：父进程阻塞直到子进程结束，避免子进程成为僵尸。

6. 安全机制：地址空间布局随机化（ASLR）

6.1 ASLR的定义

ASLR是一种安全技术，通过随机化进程的内存地址布局，防止攻击者利用已知的内存地址执行恶意代码。

6.2 工作原理

随机化内存布局的关键区域：

• 堆栈（Stack）
• 堆（Heap）
• 可执行代码（Text Segment）
• 动态链接库（Shared Libraries）

6.3 优缺点

优点：

• 提升安全性
• 兼容性强

缺点：

• 非绝对防御
• 轻微性能开销

7. 内存分配：堆和栈

7.1 栈（Stack）

保存内容：

• 局部变量
• 函数参数
• 返回地址
• 栈帧

特点：

• 先进后出（LIFO）
• 速度快
• 大小有限

7.2 堆（Heap）

保存内容：

• 动态分配的对象
• 全局数据（部分情况）

特点：

• 手动管理
• 灵活性高
• 速度较慢
• 可能产生碎片

7.3 堆和栈的区别对比

特性	栈（Stack）	堆（Heap）
分配方式	自动分配和释放	手动分配和释放
存储内容	局部变量、函数参数	动态分配的数据
生命周期	随函数调用结束而销毁	在手动释放前一直存在
大小限制	容量较小	容量较大
速度	操作更快	操作较慢