Linux的进程概念

目录

1、冯诺依曼体系结构

2、操作系统(Operating System)

2.1 基本概念

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2.2 目的

3、Linux的进程

3.1 基本概念

3.1.1 PCB

3.1.2 struct task_struct

3.1.3 进程的定义

3.2 基本操作

3.2.1 查看进程

3.2.2 初识fork

3.3 进程状态

3.3.1 操作系统的进程状态

3.3.2 Linux的进程状态

3.4 进程优先级

3.4.1 基本概念

3.4.2 PRI&&NI

3.4.3 竞争&&独立&&并行&&并发

3.5 进程切换

3.6 Linux2.6内核进程O(1)调度队列

4、Linux的环境变量

4.1 基本概念

4.2 常见的环境变量

4.3 环境变量的相关命令

4.3.1 查看环境变量

4.3.2 修改环境变量

4.3.3 删除环境变量

4.4 环境变量的特点

5、Linux的进程虚拟地址空间

5.1 程序地址空间

5.2 问题抛出

5.3 进程虚拟地址空间和分页机制

5.4 虚拟地址空间和分页机制的作用

5.5 拓展

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1、冯诺依曼体系结构

• 输入设备：键盘，鼠标，网卡，磁盘等。
• 输入设备：显示器，网卡，磁盘等。
• 存储器：即内存。
• CPU：简单来说，是中央处理器(运算器+控制器)。

注意：

• 因为输入输出设备的传输效率低，但是，让输入输出的设备的传输效率变高，成本太高，所以出现内存，即效率与成本之间的平衡，才普及了电脑。
• 程序的运行需要CPU，而CPU只能访问内存，所以程序必须加载到内存中。
• 数据流动的本质：多台冯诺依曼体系结构的交互。

2、操作系统(Operating System)

2.1 基本概念

操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

2.2 目的

操作系统，是一款进行 软硬件 管理 的软件。管理：先描述(类)，再组织(数据结构)。

sysrem call(系统调用)，驱动程序，都是为了屏蔽底层细节，外部实现统一。安全且方便。

• 系统调用封装内核 → 对应用程序统一。

• 驱动程序封装硬件 → 对操作系统统一。

3、Linux的进程

3.1 基本概念

3.1.1 PCB

PCB(Process Control Block)，进程控制块，一种类型，Linux中的PCB为：struct task_struct。

3.1.2 struct task_struct

内容分类(后续会详细介绍)

• 标识符(PID)：描述本进程的唯一标识符，用于区分其他进程。
• 状态：任务状态，包括退出代码、退出信号等。
• 优先级：相对于其他进程的优先级。
• 程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
• 内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，以及与其他进程共享的内存块指针。
• 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据（例如：CPU 寄存器状态，需附图说明）。
• I/O 状态信息：包括未完成的 I/O 请求、分配给进程的 I/O 设备，以及进程使用的文件列表。
• 记账信息：可能包括处理器占用时间、时钟周期总和、时间限制、计账号等。
• 其他信息：与进程相关的其他数据。

在 Linux 内核中，所有进程均通过 struct task_struct 结构体描述，并以双向链表的形式(即队列)组织和管理。

3.1.3 进程的定义

进程 = 内核数据结构对象(PCB)+代码和数据

对进程的管理，就是对数据结构的增删改查。

3.2 基本操作

3.2.1 查看进程

1. 通过 /proc 文件系统查看进程信息

• /proc 是一个虚拟文件系统，提供内核和进程信息的实时访问。

• 每个进程的信息存储在 /proc/[PID]/ 目录下，例如：

ls /proc/1/    # 查看 PID=1 的进程信息（通常是 init/systemd）

2. top：动态查看进程状态（CPU、内存占用等）

top  # 默认动态显示所有进程（按 CPU 占用排序）
top -p PID1,PID2,PID3  # 只监控指定 PID 的进程
top -u username  # 只显示某用户的进程

交互命令（在 top 运行时使用）

• k → 结束指定 PID 的进程（输入 PID 后回车）。

• M → 按内存占用排序。

• P → 按 CPU 占用排序（默认）。

• q → 退出 top 。 

3. ps：静态查看进程列表

ps aux  # 适用于查看所有进程的资源占用,进程状态等
ps -l PID # 适用于查看进程的父子关系,进程优先级等

注意：

• 可以配合grep进行搜索。
• ;和&&可以同时执行多条命令。
• 命令本身也是进程。

4.  通过系统调用，获取进程标识符（PID & PPID）

• getpid()：获取当前进程的 PID。

• getppid()：获取当前进程的父进程 PPID。

如：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {printf("PID: %d\n", getpid());   // 当前进程 IDprintf("PPID: %d\n", getppid()); // 父进程 IDreturn 0;
}

3.2.2 初识fork

通过fork(系统调用)，创建子进程。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int ret = fork();printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);sleep(1);return 0;
}

 

• 两个返回值，对父进程返回子进程的PID，对子进程返回0。因为父:子 = 1:N，父进程需要区分子进程，而子进程能通过PPID找到父进程。所以可以if，让父子进程执行不同的语句。

• fork() 创建子进程后，父子进程从 fork() 返回处继续执行。注意：子进程不会执行fork()之前的代码。

• 当父子进程尝试修改数据，会发生写时拷贝，重新拷贝一份数据。所以父子进程独立运行。

3.3 进程状态

3.3.1 操作系统的进程状态

以上可以分为三类：

• 运行：PCB对象在调度队列中，正在运行(运行)或准备运行(创建+就绪)。
• 阻塞：等待某种设备或资源就绪，PCB对象进入设备队列或资源队列。
• 挂起：内存不足，将进程的代码和数据放到磁盘中，进程是运行状态就是就绪挂起，进程是阻塞状态就是阻塞挂起。

注意：

• 一个CPU，一个调度队列
• PCB对象，可以同时在不同的数据结构中，即可以在不同的队列中。

• 进程的状态，就是PCB对象在不同队列之间的流动，本质是数据结构的增删改查。 

3.3.2 Linux的进程状态

/** The task state array is a "bitmap" of reasons to sleep.* "Running" is 0, other states can be combined via bit tests.*/
static const char *const task_state_array[] = {"R (running)",      /* 0  - 运行中或就绪       */"S (sleeping)",     /* 1  - 可中断睡眠（等待事件）*/"D (disk sleep)",   /* 2  - 不可中断睡眠（通常等待I/O）*/"T (stopped)",      /* 4  - 被信号暂停（如SIGSTOP）*/"t (tracing stop)", /* 8  - 被调试器跟踪暂停    */"X (dead)",         /* 16 - 完全终止（不会出现在任务列表）*/"Z (zombie)",       /* 32 - 僵尸进程（已终止但未回收）*/
};

• R：运行中或就绪(进程一创建，就进入就绪状态)。
• S：可中断休眠(浅睡眠，一种阻塞)，能被操作系统杀死。
• D：不可中断休眠(深睡眠，一种阻塞)，不能被操作系统杀死。
• T：暂停，如：Ctrl+z。
• t：暂停，如：debug的断点。
• X：死亡，进程结束。
• Z：僵尸，子进程退出，父进程需要获取子进程退出前的信息(即子进程PCB对象里面的信息，其指向的代码和数据已被释放)，并释放子进程的PCB对象，如果父进程没有获取子进程退出前的信息，那么子进程被称为"僵尸进程"，其PCB对象将会一直存在，造成内存泄漏。如果父进程先结束，其子进程称为"孤儿进程"，会被1号进程"领养"，不会成为"僵尸进程"。

注意：

阻塞是进程的 正常状态（因等待资源主动暂停），而 饥饿是 异常现象（可能是一直阻塞，或进程可能无需等待资源，但因调度问题无法运行等）

3.4 进程优先级

3.4.1 基本概念

进程得到CPU资源的先后顺序。

注意：

• 优先级是一种数字，值越低，优先级越高。
• 优先级，能得到某种资源(只是先后问题)，权限，能否得到某种资源。
• Linux，基于时间片的分时操作系统，要考虑公平性，所以优先级变化不大。

3.4.2 PRI&&NI

• PRI：进程的优先级，默认80。
• NI：nice值，进程优先级的修正数据，默认0。范围是[-20,19]。

注意：

• 进程真实的优先级PRI = 80 + NI。所以优先级的范围是[60,99]。保证公平性。

• NI 的存在 是为了在 灵活性（用户态调整）和 稳定性（内核控制）之间取得平衡。

3.4.3 竞争&&独立&&并行&&并发

• 竞争：系统中进程数量远多于 CPU 资源（如单核 CPU 只能同时运行 1 个进程），因此进程之间需要竞争 CPU 时间片、内存、I/O 等资源。通过 优先级（Priority） 或 调度算法（如时间片轮转）来合理分配资源，确保高优先级或关键任务能优先执行。
• 独立：每个进程拥有独立的地址空间、文件描述符、寄存器状态等资源，一个进程崩溃不会直接影响其他进程。
• 并行：多个进程在 多个 CPU/核心上真正同时运行（物理层面的同时执行）。
• 并发：多个进程在 单个 CPU 上通过快速切换（时间片轮转） 模拟“同时运行”的效果（逻辑层面的交替执行）。

3.5 进程切换

CPU上下文切换（Context Switch），实际上是任务切换，或CPU寄存器的切换。

流程：

1. 保存现场：
   当多任务操作系统决定切换到另一个任务时，首先将当前运行任务的CPU寄存器状态完整保存到该任务的私有堆栈中。

2. 恢复现场：
   从待运行任务的堆栈中加载其之前保存的寄存器状态到CPU。

3. 切换执行：
   CPU开始执行新任务的指令流。

注意：

• 进程在一个时间片内占用CPU，不会一直占用。
• 进程切换的本质：保存和恢复 进程硬件上下文的数据(即CPU寄存器的状态)。 

3.6 Linux2.6内核进程O(1)调度队列

• 对于active队列，先看nr_active，有没有进程，再通过bitmap[5]，按照优先级，快速定位队列，最后挑队首的进程，执行。
• 进程执行完一个时间片，进入expired队列(防止高优先级进程执行完一个时间片，又插队)。当active队列为空时，swap(&active,&expired)，交换两个指针，继续调度active队列。
• 新来一个进程，如果放到expired队列，就是就绪状态，如果放到active队列，也是就绪状态，但是"插队"了。
• 如果active中的进程，更改NI(nice值)，即更改优先级，因为麻烦，所以执行完一个时间片后，进入过期队列时，再更新优先级。

4、Linux的环境变量

4.1 基本概念

环境变量是操作系统中用于指定运行环境参数的键值对(KEY=VALUE)。

KEY是环境变量的名字，VALUE是环境变量的内容。

4.2 常见的环境变量

4.3 环境变量的相关命令

4.3.1 查看环境变量

命令行：

• env：显示当前进程 所有的环境变量。
• echo $环境变量名字：显示环境变量的内容。
• set：显示当前进程 所有的变量。如：直接i=10或i，定义本地变量i。

系统调用：

• int main(int argc,char* argv[ ],char* env[ ]){ return 0;}，argv是命令行输入的命令字符串数组(以空格为分隔符，将命令分成若干个字符串，数组以NULL结尾)，argc是argv数组元素的个数，env是该进程 环境变量的字符串数组(环境变量放在字符串里，数组以NULL结尾)。
• getenv()，在当前进程，根据环境变量的名字，获取环境变量的内容。
• 全局变量environ(环境变量字符串数组，数组以NULL结尾)，必须先extern char** environ;声明，再使用。

4.3.2 修改环境变量

• 环境变量名=$环境变量名:内容，给环境变量加内容。如：PATH=$PATH:/home/Lzc/test。
• export 变量名=“值”，新增环境变量。

注意：

以上关闭终端，重新登录，就会失效。想要永久生效，就要更改配置文件(~/.bashrc或~/.bash_profile)，因为bash每次都是拷贝配置文件的内容。

4.3.3 删除环境变量

• unset 变量名：清除变量，本地变量和环境变量都可以。

4.4 环境变量的特点

• 新创建的子进程会继承父进程的环境变量(全局性)。进程相互独立，所以环境变量也独立，互不影响。
• 本地变量不会被新创建的子进程继承。

5、Linux的进程虚拟地址空间

5.1 程序地址空间

以32位机器为例：

5.2 问题抛出

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int g_val = 0;  // 全局变量，初始化为0int main() {pid_t id = fork();  // 创建子进程if (id < 0) {       // fork失败perror("fork");return 0;}else if (id == 0) { // 子进程分支g_val = 100;    // 子进程修改全局变量printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);} else {              // 父进程分支sleep(3);       // 父进程休眠3秒，确保子进程先执行printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);           // 防止父进程或子进程提前终止return 0;
}

 

为什么地址一样，内容却不一样？  

说明：

• 该地址绝对不是物理地址！
• 在Linux系统下，这种地址称为**虚拟地址**。  
• 我们用C/C++语言看到的地址都是虚拟地址，物理地址对用户完全不可见，由操作系统统一管理。  

5.3 进程虚拟地址空间和分页机制

所以，程序地址空间，准确来说是，进程虚拟地址空间。

首先，一个进程，一个虚拟地址空间。 

struct task_struct {/*...*/struct mm_struct *mm;        // 指向进程用户空间虚拟地址空间描述符// - 对普通用户进程：指向其虚拟地址空间的用户空间部分// - 对内核线程：NULL（因内核线程无独立用户空间）struct mm_struct *active_mm; // 内核线程使用的替代mm字段// - 内核线程的mm为NULL时，可借用其他进程的地址空间// - 所有进程的内核空间映射相同，故内核线程可复用/*...*/
};struct mm_struct {/*...*/struct vm_area_struct *mmap;    // 虚拟内存区域(VMA)链表头struct rb_root mm_rb;           // VMA红黑树根节点（加速查找）unsigned long task_size;        // 用户虚拟地址空间大小/* 各段地址边界 */unsigned long start_code, end_code;    // 代码段起止unsigned long start_data, end_data;    // 数据段起止unsigned long start_brk, brk;          // 堆段起止unsigned long start_stack;              // 栈起始地址unsigned long arg_start, arg_end;      // 命令行参数段unsigned long env_start, env_end;      // 环境变量段/*...*/
};// 1.当虚拟区较少时采取单链表，由mmap指针指向这个链表；
// 2.当虚拟区间多时采取红⿊树进⾏管理，由mm_rb指向这棵树。
struct vm_area_struct {unsigned long vm_start;         // 虚拟内存区域起始地址unsigned long vm_end;           // 虚拟内存区域结束地址/* 链表与树结构 */struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;  // 双向链表指针struct rb_node vm_rb;                      // 红黑树节点unsigned long rb_subtree_gap;/* 关联的地址空间 */struct mm_struct *vm_mm;        // 所属的mm_struct/* 权限与标志 */pgprot_t vm_page_prot;          // 访问权限（读/写/执行）unsigned long vm_flags;         // 区域标志（如VM_READ|VM_WRITE）/* 共享与反向映射 */struct {struct rb_node rb;unsigned long rb_subtree_last;} shared;struct list_head anon_vma_chain;struct anon_vma *anon_vma;/* 操作方法与文件映射 */const struct vm_operations_struct *vm_ops;  // 区域操作函数集unsigned long vm_pgoff;         // 文件映射偏移量（以页为单位）struct file *vm_file;           // 映射的文件指针（若为文件映射）void *vm_private_data;          // 驱动私有数据/* 其他配置 */atomic_long_t swap_readahead_info;
#ifdef CONFIG_NUMAstruct mempolicy *vm_policy;    // NUMA内存策略
#endifstruct vm_userfaultfd_ctx vm_userfaultfd_ctx;
} __randomize_layout;

如图所示：

 一个进程，一个页表，进行虚拟地址和物理地址的映射。

将物理地址转化为虚拟地址，提供给用户使用。 

5.4 虚拟地址空间和分页机制的作用

• 将地址，"无序"变"有序"。
• 地址转化的过程中，可以对操作进行合法判定，进而保护物理内存(根据权限)。
• 让进程管理和内存管理在一定程度上解耦合。

5.5 拓展

• 可以不加载代码和数据到物理内存，只有struct task_struct，struct mm_struct，页表，需要访问时，“缺页中断”，再加载。所以创建进程，先有struct task_struct，struct mm_struct等，再有代码和数据。
• 当物理内存不足时，对于阻塞的进程，通过页表换出物理地址(释放内存)，变为阻塞挂起，腾出内存空间。