【Linux】进程篇Ⅰ：进程信息、进程状态、环境变量、进程地址空间

---

硬件 - - 冯诺依曼计算机

1、CPU 不和外设直接沟通，而是和内存打交道

2、数据层面：外设也只会和内存打交道

软件 - - 操作系统

手段：对下通过管理好软硬件资源

目的：对上给用户提供良好（安全、稳定…）的执行环境

管理的本质：先描述，再组织

管理的实际是数据，用面向对象进行描述，数据结构进行组织。

一、概述

进程 = 内核关于进程的相关数据结构  // task_struct
   +
   当前进程的代码和数据

这个相关的数据结构就是我们通常所说的 PCB（process control block），Linux 下的 PCB 是 task_struct

比如我们输入 ./可执行程序 的时候：数据从磁盘调到内存变成进程

阻塞：就是不被调度。
阻塞一定是因为 当前进程需要等待某种资源就绪，
也一定是 进程 task _struct 结构体需要在某种被 OS 管理的资源下排队（queue）。

挂起：操作系统对阻塞的进程，为了腾出内存空间，将进程的代码和数据部分放入磁盘中，直到轮到进程被调度时，在调出代码和数据进入内存。（可以理解成一种特殊的阻塞状态）

二、查看进程信息

1. 系统文件夹 /proc

正在执行的进程，会有一个和进程 PID 同名的文件夹，存在 /proc 目录下，其中存放进程相关信息。

进程消失后，同名文件夹消失。

2. 用户级工具 ps

# 查看全部进程
ps axj 
# 查看某个程序的进程
ps axj | grep [可执行程序]
# 拿 进程表头 && 某个程序的进程
ps axj | head -1 && ps ajx | grep [可执行程序]
# 拿 进程表头 && 某个程序的进程 && 去掉自己 grep 这个进程
ps axj | head -1 && ps ajx | grep [可执行程序] | grep -v grep
# 在上面的基础上，每隔一秒打印一次结果
while :; do ps axj | head -1 && ps ajx | grep [可执行程序] | grep -v grep; sleep 1; echo "----------"; done

3. getpid() 函数：查看进程 PID

函数声明：

pid_t getpid(void); // 查看自身进程 PID

pid_t getppid(void); // 查看父进程 PID

头文件包含：

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

getpid() ：当前程序运行时可以获得 自身进程 PID
getppid() ：当前程序运行时可以获得 父进程 PID

pid_t 相当于一个有符号整数，返回的就是 PID 号，也是 /proc 里的文件名

---

🐎测试代码：

观察结果如下：

频繁多次运行发现：子进程每次进入都是新的 PID，父亲的 PPID 一直都是同一个。查看这里的 3395 为例，可知父进程是 bash

---

结论

1. 🎯bash（命令行解释器） 也是个进程

2. 🎯命令行启动 的 所有程序，最终都会变成进程，而该进程 对应的 父进程 都是 bash

这里有个生动案例帮助理解：

角色设定：bash --> 媒婆子进程 --> 媒婆实习生说，村里阿猫阿狗太多，媒婆为了保护自己的声誉，放出他的实习生说媒，但凡某个实习生谈崩了或者被骗了，总之没处理好这活，坏掉的是这个实习生的声誉，媒婆狂喜...同样，bash 放出 子程序，去测你写的代码，如果你的代码有问题，崩的是子程序，保护了 bash...

---

4. 用 kill 杀进程

除了 ctrl+C，杀进程有专门的命令 kill：

方法一：

kill -9 [进程PID]

方法二：

killall [可执行文件]

（如果我们不小心 bash 把他杀了，bash 会崩溃…需要重新连接一下

结论

3. 🎯如何创建的子进程？？
   fork 之后，执行流会变成两个执行流
   fork 之后，谁先运行由调度器决定
   fork 之后，fork 之后的代码共享，通常我们通过 if 和 else if 进行执行流分流

5. 进程优先级

cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。
 
优先权高的进程有优先执行权利。配置进程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

输入 ps -l 命令可以得到的关键信息有如下内容：

• UID : 代表执行者的身份
• PID : 代表这个进程的代号
• PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
• PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
• NI ：代表这个进程的 nice 值

PRI and NI

• PRI 也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被 CPU 执行的先后顺序，此值越小 进程的优先级别越高
• 那 NI 呢？就是我们所要说的 nice 值了，其表示进程 可被执行的优先级的 修正数值
• PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old，即 80)+nice
• 这样，当 nice 值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行
• 所以，调整进程优先级，在 Linux 下，就是调整进程 nice 值
• nice 其取值范围是 -20 至 19，一共 40 个级别。

PRI vs NI

• 需要强调一点的是，进程的 nice 值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程 nice 值会影响到进程的优先级变化。
• 可以理解 nice 值是进程优先级的修正修正数据

用 top 命令更改已存在进程的 nice：

• 进入 top后按 r（renice） –> 输入进程 PID –> 输入 nice 值

---

二、进程状态分析

task_struct 是一个结构体，内部会包含各种属性，其中就有一项是当前状态。

struct task_struct
{int status;//...
};	

Linux内核源代码（部分）：

static const char * const task_state_array[] = {
"R (running)", /* 0 */
"S (sleeping)", /* 1 */
"D (disk sleep)", /* 2 */
"T (stopped)", /* 4 */
"t (tracing stop)", /* 8 */
"X (dead)", /* 16 */
"Z (zombie)", /* 32 */
};

0. +

进程状态后面带 ＋ 号

则说明该进程在 前台运行，可以用 ctrl + C 让程序停止。

进程状态后面没有 + 号

该进程在 后台运行，不能用 ctrl + C 让程序停止了。

1. R (running) 运行状态

进程只要是 R 状态，就一定是在CPU上运行吗？
事实上，进程是 R 状态并不直接代表进程在运行，而代表该进程在运行队列中排队，这个队列是由操作系统维护的。

操作系统在内存里，这个队列也在内存里被维护的。操作系统对 task_struct 的管理就是把他们放到不同的队列当中。

进程是什么状态，一般也看这个进程在哪里排队（是 task_struct 在排队，而不是代码和数据）。

运行状态 R 是瞬时状态。当进程会调用资源（如打印到显示器）时，由于 CPU 运行速度太快，我们去 ps axj 进程信息的时候，极大概率只能看到进程的其他状态，而无法捕捉到 R 状态。

2. S (sleeping) 休眠状态

S 休眠状态是 可中断休眠，本质上就是一种 阻塞状态，处于等待某种资源的状态。

3. D (disk sleep) 不可中断的休眠状态

D 是 不可中断休眠，也是阻塞状态的的一种（在做系统管理、运维、系统存储的时候才会遇到）。

面对普通的休眠状态的进程，在特殊场景下，操作系统可以做出判断并杀掉休眠进程。D 状态的休眠，则是操作系统无法杀掉的。只能等进程自己运作，或者拔掉电源…

4. T (stopped) 暂停状态

T 是 暂停状态。

用户主动使用 kill -19 操作，可以让进程进入 T 状态：

kill -19 [进程PID]

用户主动关闭 T 状态，使进程变成 R / S（后台运行 / 休眠） 状态，继续运行：

kill -18 [进程PID]

此时进程变成后台运行，无法通过 ctrl + C 的方式结束，需要输入另一个信号 kill -9：

kill -9 [进程PID]

5. t (tracing stop) 追踪暂停状态

追踪暂停，也是暂停的一种。当我们给程序打上断点并在断点处停下时，进程会显示追踪状态。

6. Z (zombie) 僵尸状态

在了解 Z 状态之前，我们先引出一个概念。

main 函数 里的 return 0，实际上是进程退出码。可以交给程序去判断，进程结束的结果是否正确。

// 进程退出码使用举例
int main()
{// 算法省略int result = 10;if(result == 10)return 0;	// 正常退出elsereturn 3;	// 异常退出
}

查看进程退出码：

echo $?

注意：$? 只会保存最后一次执行的退出码。

僵尸状态

子进程退出后，等待后续父进程（OS）读取子进程退出的退出结果的状态。

僵尸进程的危害：

• 进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态？是的！

• 维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护？是的！

• 那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间。

• 会造成内存泄漏。

7. X (dead) 终止状态

终止状态，也是一个瞬时状态。当进程从 Z 状态被回收，会变成 X 终止状态，继而操作系统才会正真释放进程的所有资源。

8. 孤儿进程

孤儿进程：父进程退出，子进程会被 OS 自动领养（通过让 1 号进程成为新的父进程）。被领养的进程，就是孤儿进程

9. 一些概念

• 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
• 并行：多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行
• 并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

---

三、 环境变量🔺

环境变量(environment variables) 一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数。
 
环境变量本质就是一 个 内存级 的一张表，这张表由 用户在登陆系统的时候，进行给特定用户形成属于自己的环境变量表。在系统当中通常具有全局特性，可以被子进程继承。
 
环境变量中的每一个，都有自己的用途：有的是进行路径查找的，有的时进行身份认证的，有的时进行动态库查找的，有的是用来进行确认当前路径…等等。每一个环境变量都有自己的特定应用场景。每一个元素都是 kv 的。

我们平时写代码中生成的可执行文件 xx，在我们需要运行它时输入的 ./xx 实际上就是这个可执行文件的路径。而众多的命令实际也是一个个可执行文件，为什么命令可以直接被读取，而我们生成的可执行文件则要带上路径呢？

分别 which 一下随便某个命令、再 which 我们的可执行文件可以发现。是因为我们的可执行文件不在 PATH 路径下。

两个解决思路，让我们输入可执行文件名 xx，就可以执行程序：
1、把我们生成的可执行文件 cp -rf 到 PATH 的路径下。
2、把可执行文件所在路径 export 到原有路径后面。

1. 常见的环境变量

• PATH : 指定命令的搜索路径
• HOME : 指定用户的主工作目录（即用户登陆到 Linux 系统中时，默认的目录）
• SHELL : 当前 Shell，它的值通常是 /bin/bash。

2. 有关指令

which：在环境变量中查找某个命令的路径

env：输出所有 环境变量

set ：同时输出 环境变量 和 本地变量

unset [变量名]：取消某个 本地 / 环境变量

echo $[环境变量名称]：查看某个环境变量

export [变量名]：设置新的 / 更新环境变量
本质上就是，把本地变量添加到环境变量表里！

（注意：如果环境变量被我们误操作不慎覆盖，导致命令无法使用，只需要重启虚拟机即可）

以 PATH 环境变量举例
------------------# 添加路径到环境变量
export PATH = $PATH:[指定路径]# 设置并覆盖原来的环境变量
export PATH = [指定路径]

环境变量

存在 shell 里

放进环境变量表

可以被子进程继承

普通本地变量

存在 shell 里

只能由 shell 内部调用

不能被子进程继承

# 设置新的环境变量，env 中可查，可以被子进程继承
export hello = 123456
# 设置普通的本地变量，env 中没有
hey = abcde# 查看变量的值
echo $hello
echo $hey

这里要引出一个问题了：既然我们说，本地变量只能在 shell 内部使用，不能被子进程继承，echo 命令必然会调用子进程，子进程又是怎么访问到本地变量的呢？
这里要用 内建命令 来解释了。后续更新。

3. 通过代码如何获取环境变量

1. 命令行第三个参数，就是 环境变量表

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{int i = 0;for(; env[i]; i++){printf("%s\n", env[i]);}return 0;
}

2. 通过第三方变量 environ 获取
   （libc 中定义的全局变量 environ 指向环境变量表，environ 没有包含在任何头文件中，所以在使用时 要用 extern 声明。

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{extern char **environ;int i = 0;for(; environ[i]; i++){printf("%s\n", environ[i]);}return 0;
}

其实获取环境变量最主要的是下面这种方式：

4. 通过系统调用 获取 或 设置 环境变量

putenv
getenv

常用getenv和putenv函数来访问特定的环境变量。

🌰我们模拟实现一个pwd

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{char* pwd = getenv("PWD");if(pwd == NULL)perror("geienv");elseprintf("%s\n", pwd);return 0;
}

5. 补充：命令行的 int argc 和 char *argv[]

char *argv[]

命令行输入的

int argc

void Usage(const char *name)
{printf("\nUsage: %s -[a|b|c]\n\n", name);exit(0); // 终止进程
}int main(int argc, char *argv[])if(argc != 2) Usage(argv[0]);if(strcmp(argv[1], "-a") == 0) printf("打印当前目录下的文件名\n");else if(strcmp(argv[1], "-b") == 0) printf("打印当前目录下的文件的详细信息\n");else if(strcmp(argv[1], "-c") == 0) printf("打印当前目录下的文件名(包含隐藏文件)\n");else printf("其他功能，待开发\n");return 0;
}

---

四、进程地址空间🔺

先看如下这个测试：

🐎测试代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
int g_val = 100;
int main()
{pid_t id = fork();assert(id >= 0);else if(id == 0)	//child{ 		while(1){printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);  	g_val++;sleep(1);}}else	//parent{ while(1){printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);sleep(1);}}return 0;
}

测试结果：

parent[2995]: 100 : 0x80497d8
child[2996]: 100 : 0x80497d8
parent[2995]: 100 : 0x80497d8
child[2996]: 101 : 0x80497d8
parent[2995]: 100 : 0x80497d8
child[2996]: 102 : 0x80497d8
parent[2995]: 100 : 0x80497d8
child[2996]: 103 : 0x80497d8

我们已经知道的是：

• 子进程对全局数据修改，并不影响父进程。进程具有独立性！

进而可以发现，父子进程，输出地址是一致的，但是变量内容不一样！能得出如下结论:

• 变量内容不一样，所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量。
• 但地址值是一样的，说明，该地址绝对不是物理地址！
• 在 Linux 地址下，这种地址叫做 虚拟地址 / 线性地址
• 我们在用 C/C++ 语言所看到的地址，全部都是虚拟地址！物理地址，用户一概看不到，由OS统一管理。

OS 必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址。

1. 如何理解 进程地址空间

进程地址空间，本质上也是一个内核数据结构，struct mm_struct{};

---

2. 为什么要有地址空间？

• 防止地址随意访问，保护物理内存与其他进程。
• 地址空间 和 物理内存 之间 由 页表 连接，这张表不止简单的定义了映射关系，还为用户设置了各种区域的不同权限。
• 例如，我们知道 char* str = “hello”; 如果我们去编译 str = ‘H’; 肯定是不能通过的，因为我们通过 页表 所映射的 “hello” 所存入的物理内存的常量区，在 key 被设置为只读！我们平时说的 代码是只读的，也是这个道理。

3. malloc 的本质？

• 当我们像 OS 申请内存时，操作系统是立马给我们这个地址，还是需要的时候再给我们？
• 首先，OS 一般不允许任何的浪费不高效。
• 其次，申请内存不一定立马使用。
• 什么意思呢？在我们申请成功之后，使用之前，就有一段小小的时间窗口（这个空间没有被正常使用，但别人用不了），这块空间处于闲置状态？这个不高效的行文，OS 就不允许的！
• 于是，我们申请成功后，地址空间给我们一个地址，连接页表的 key（此前是 进程管理），而 value 也是没有映射存在的，即此时没有开辟空间。
• 只有当我们调用或者访问内存，OS 发现没有相应的数据，才会给我们把数据换入。（这里是内存管理）
• 这个现象叫做 缺页中断，也是一个典型的 解耦合

4. 再谈 地址空间

所以，为什么要有地址空间：

1. 防止地址随意访问，保护物理内存与其他进程。
2. 将 进程管理 和 内存管理 进行 解耦合
3. 更重要的是，可以让进程以统一的视角，看待自己的代码和数据

（扩展）解释第三点：

• 我们的程序在被编译，还没有被加载到内存的时候，程序内部也存在地址！

• 编译器编译可执行程序时，本来就是按照 虚拟地址空间 的方式、各种内存布局来编译的，在磁盘上已经给我们规定好了代码区、已初始化数据区…等等这样的概念。编译时只需要进行模块式的加载，进行对应的映射到内存，则有了物理地址。而代码彼此之间是使用虚拟地址互相跳转的。所以说，程序在没加载到内存的时候就有了地址，这个地址是虚拟地址。

• 比如，我们写一个函数，再去调用它，在反汇编中查看能看到他们的地址，这个地址就是 程序自拟的 虚拟地址。

• 可以看到的是，地址空间约束的不光是 OS，我们的编译器也需要遵守这样的规则。
• 所以一个可执行程序加载到内存，是拥有两套地址的。

最后一个问题：

进程和代码必须一直在内存中？

不一定！实际上，我们拥有了虚拟地址空间，我们的代码是可以边加载边执行的。需要的数据才加载，这样就可以保证我们在内存使用量很低的情况下，还完成了大软件的运行。

---

🔗下接 进程篇Ⅱ：进程开始、进程终止、进程等待、程序替换

---

👉🔗链接在此

 
 

---

🥰如果本文对你有些帮助，请给个赞或收藏，你的支持是对作者大大莫大的鼓励！！(✿◡‿◡) 欢迎评论留言~~

---