全面剖析 Linux 进程管理与 PCB 机制

文章目录

前言
- 一、进程的基本概念
- 二、操作系统如何管理进程？
- - [2.1 描述进程------PCB](#2.1 描述进程——PCB)
  - [2.2 PCB的核心地位](#2.2 PCB的核心地位)
  - [2.3 PCB的组织结构](#2.3 PCB的组织结构)
- 三、Linux环境下的进程
- - [3.1 `task_struct`结构体](#3.1 task_struct结构体)
  - [3.2 task_struct内容分类](#3.2 task_struct内容分类)
  - [3.3 进程的组织方式](#3.3 进程的组织方式)
  - [3.4 查看进程属性](#3.4 查看进程属性)
  - - [1. 使用`ps`命令](#1. 使用ps命令)
    - [2. 访问`/proc`文件系统](#2. 访问/proc文件系统)
结语

前言

进程是操作系统的核心概念之一，也是计算机执行任务的基本单位。在现代操作系统中，如何高效地管理和调度众多进程，是系统设计和性能优化的重要课题。Linux作为一个多用户、多任务操作系统，其进程管理实现不仅科学严谨，还高度模块化。本篇文章将深入剖析Linux中的进程管理机制，重点讲解进程控制块（PCB）的结构和作用，帮助读者理解操作系统的运行原理。

一、进程的基本概念

进程是操作系统中最重要的基本概念之一。一个程序加载到内存后成为一个任务，只有当它开始运行时，才称为进程。进程可以被认为是正在执行的程序实例，包括程序的代码、运行时的上下文、以及操作系统管理的其他资源。

在Windows操作系统 下，可以通过任务管理器查看当前运行的进程。如下图所示：

在Linux操作系统中，则可以通过以下命令来查看进程：

ps: 显示静态的进程信息。
top: 动态更新显示系统的进程列表。
htop: 功能更强大的top替代品，支持交互操作。

Linux系统支持多任务处理，即在一个系统中可以同时运行多个进程，这通过操作系统的调度机制实现。尽管多个进程看似同时运行，但实际上，它们在CPU上的执行是通过快速切换来模拟并发。

二、操作系统如何管理进程？

操作系统需要管理众多进程，保证系统资源能够被公平、高效地使用，同时确保每个进程的运行互不干扰。这种管理依赖于进程控制块（PCB，Process Control Block）。

2.1 描述进程------PCB

当一个程序被加载到内存成为一个真正的进程时，操作系统会创建一个专门的结构体对象来描述它------PCB（进程控制块）。PCB存储了与进程相关的各种信息，操作系统通过这些信息识别、管理和调度进程。

类比于现实生活中的身份证，身份证包含了人的关键信息（如姓名、身份证号等）。同样，PCB也包含进程的关键属性：

进程ID：唯一标识一个进程。
状态：记录当前进程的运行状态（如就绪、运行、等待等）。
优先级：用于进程调度，优先级高的进程更容易获得CPU时间。
内存指针：指向进程的代码段、数据段、栈段。
程序计数器：记录下一条需要执行的指令的地址。
I/O状态信息：列出与该进程相关的I/O设备和文件。

在Linux操作系统 中，PCB通过task_struct结构体实现。每个进程的task_struct对象会存储在内存中，由操作系统管理。

2.2 PCB的核心地位

PCB是进程管理的核心。操作系统只关心PCB，而不直接管理进程的代码和数据。进程的代码和数据是其运行内容，而PCB则是操作系统管理的入口点。

2.3 PCB的组织结构

为了有效管理系统中大量的进程，操作系统通过将PCB组织成一个链表结构来管理。在Linux内核中：

每个进程的task_struct对象是链表中的一个节点。
操作系统对进程的管理最终可以简化为对PCB链表的操作：
- 新增：创建新进程时，分配一个新的PCB并加入链表。
- 删除：进程终止时，从链表中移除对应的PCB。
- 查询：通过链表查找特定进程的PCB。
- 修改：更新PCB的属性，如状态、优先级等。

此外，PCB的链表结构还允许操作系统实现快速的调度和资源分配。

三、Linux环境下的进程

3.1 `task_struct`结构体

task_struct是Linux系统中用于描述PCB的结构体，定义在Linux内核代码中。它包含了与进程相关的所有信息，是内核进行进程管理和调度的核心。

3.2 task_struct内容分类

task_struct结构体的信息可以按照功能分为以下几类：

分类	描述
标识符	描述一个进程的唯一标识符，用来区分不同进程，例如`PID`（进程ID）和`TGID`（线程组ID）。
状态	包括任务的当前状态（如运行、就绪、等待）、退出码以及进程退出时发送的退出信号。
优先级	用于调度的优先级，相对于其他程序的优先级，决定调度器分配CPU时间的顺序。
程序计数器	程序中即将被执行的下一条指令的地址，用于指示当前执行位置。
内存指针	包括指向程序代码段、数据段以及进程相关内存区域的指针，还包括共享内存块的指针。
上下文数据	描述进程执行时处理器中寄存器的数据，包括通用寄存器、标志寄存器等。
I/O状态信息	包括显示的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	包括进程的处理时间总和、使用的CPU时钟数总和、时间限制、记账号等，用于资源使用和审计。

这些字段为操作系统管理进程提供了全面的信息。

3.3 进程的组织方式

Linux系统采用双向链表 来组织task_struct对象。每个task_struct不仅仅是一个独立的节点，它还可能存在于多个链表中。例如：

运行队列：所有就绪态的进程链表，用于调度。
等待队列：等待特定事件的进程链表。
父子链表：用于组织进程的父子关系。

通过这种多维组织方式，Linux内核可以高效地进行调度和资源分配。

3.4 查看进程属性

1. 使用`ps`命令

通过ps命令可以查看当前进程的详细属性：

bash 复制代码

ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess
或者
ps axj | grep myprocess

输出结果包括进程ID、父进程ID、会话ID等。

**注意：**最后一行显示的其实是 grep 命令的进程。因为 grep 命令的关键字里也有 myprocess ，当我们用 grep 命令来过滤操作系统中的进程时，grep 自己首先需要先变成一个进程，然后它才能被 CPU 调度执行，因此最终过滤时会把 grep 自己也带上。

2. 访问`/proc`文件系统

Linux提供了/proc虚拟文件系统来展示进程的详细信息。每个运行的进程都有一个对应的目录，目录名是进程的PID。例如：