Linux环境编程第一天笔记

进程与程序

1. 程序：

是存储在磁盘上的静态指令集合和数据集合，是完成特定任务的代码问价，不占用系统运行资源，只占有磁盘资源。

可执行文件后缀：

windowe --> exe

Android --> apk

Linux --> ELF

在Linux中可执行文件多的类型是ELF（✔）

在Linux中ELF就是可执行文件（×）

ELF文件类型：

可执行文件：可被直接运行的文件；
可重定位文件：编译器编译过程中生成的中间文件（.o，.a）；
共享目标文件：可被多个程序共享调用的库文件（Linux下的.so文件）（没有main（））；
核心转储文件：程序崩溃时生成的二进制文件；

readelf 选项可执行文件名：查看ELF文件信息

-s：查看ELF文件的符号表，包含符合名称、类型（函数/变量）、所属的节、地址、大小等信息

-h：查看当ELF的头部信息，包含魔数（表示ELF格式）、文件类型、架构、入口地址、程序头/节头偏移量等核心元数据

-l：查看程序头表（Segment 信息，核心是加载地址、权限）； -S：查看节区头表（Section 的偏移、大小、权限）；

ELF格式文件组成

ELF头：位于文件最开始，记录文件的基本信息，比如文件类型，架构，入口地址、程序头表和节区头表的偏移地址和大小。
程序头表：描述文件中的段的加载信息，供加载器将文件加载到内存时使用。
节区：是ELF文件的实际内容载体，包含代码（.text）数据（.data/.bss）、符号表（.symtab）、重定位节（.reloc）等
节区头表：记录每一个节区的名称、类型、大小、在文件中的偏移量等，用于链接过程
段：由一个或多个属性相同的节区组成，是加载到内存的基本单元。

2.进程

是程序的一次动态执行过程，占用CPU、内存等系统资源、有生命周期。
一个程序可以对应多个进程。
一个进程在运行过程中，通常只对应一个程序。

3.程序加载为进程的核心步骤

用户发起执行请求
创建进程控制块
内存空间分配
加载程序运行依赖
设置程序入口与上下文
CPU调度执行
进程终止，资源回收

当ELF格式的程序被执行时，内核中实际上产生了一个task_struct结构体来表示这个进程这个结构体常常也被称为进程控制块（PCB）

进程控制块（task_struct/PCB）包含

进程标识（PID、PPID）
进程状态（运行/睡眠/停止/僵尸）
资源占用（CPU时间片、内存映射、文件描述符表）
调度属性（优先级、调度策略）
父子/兄弟进程关系

ps 选项

-ef：排查进程的父子关系

复制代码

 ps -ef | grep nginx //过滤出包含 “nginx” 关键词的进程行。
 
 //直接执行上述命令时，输出会包含grep nginx这个临时进程（干扰排查）
 ps -ef | grep nginx | grep -v grep  //进一步排除自身

-l ：以长格式只查看当前终端的进程。（STAT列为R = 运行、S = 睡眠、Z = 僵尸、T = 停止）

aux：监控进程的资源消耗情况

复制代码

 ps aux | sort -k 3 -r   //对输出结果排序，-k 3表示第三列，-r表示降序

axjf：梳理复杂进程的层级关系，排查进程的启动链

-e:显示所有进程

-f：以全格式输出

a：显示所有于终端相关的进程

u:以用户为中心的格式展示信息

x：显示不关联终端的进程（如后台守护进程）

j:显示进程的任务信息

f：以树形结构展示进程间的父子关系

top ：动态展示进程的CPU，内存占用率，系统负载，运行时间等信息

htop ：等价于top，区别是有颜色，需自行下载

下载命令：sudo apt-get install htop

pstree ：以树状结构展示进程层级关系

所有用户进程都有一个共同的祖先进程init（现代linux中systemd已经取代了init）

PID是进程的唯一身份证号，无论是传统Linux还是现代Linux，祖先进程的PID都是1。内核层面有一个0号进程，负责启动PID=1，不参与用户态管理。

在Linux中除过初始化进程，其余所有进程都有一个父进程，如果父进程退出，子进程将会被祖先进程接管。

进程的生命周期

一、进程诞生父进程调用frok（）（部分场景使用exec()加载程序），内核为新的进程分配PID、PIB，内存等资源，新进程进入到就绪态。就绪队列：当进程已经具备执行条件，但是还未被CPU调度，就会在就绪队列中等待

二、运行阶段

进程运行阶段，主要在就绪态，执行态、睡眠态、挂起态、暂停态、追踪态间转换

就绪态→执行态内核调用sched调度算法，选中就绪队列中的进程，为其分配CPU时间片，进程进入执行态
执行态→就绪态 A：进程执行时间超过CPU时间片（时间片耗尽），内核强制收回执行权，进程退回就绪态 B：高优先级进程会抢占低优先级进程的CPU，有更高优先级的进程进入就绪队列，内核触发抢占机制，当前进程退回到就绪态
执行态 → 睡眠态（阻塞态）进程因等待资源或事件完成主动放弃CPU（比如读文件，网络请求），进入睡眠态。
- 可中断睡眠：等待可被打断的事件（如键盘输入），可通过外部信号唤醒，唤醒后回到就绪态
- 不可中断睡眠：比如进程等待磁盘I/O完成（例如向硬盘写入大文件），此时不响应信号避免I/O操作被打断导致数据损坏，I/O操作结束自动回到就绪态。

睡眠态/就绪态 → 挂起态挂起态是进程被交换到外存的状态，核心触发条件是系统内存不足：内核为释放内存，将暂时无需调度的进程（就绪态或睡眠态）交换到磁盘，此时进程脱离内存，不参与任何 CPU 调度。当系统内存充足或进程需被唤醒时，内核将其交换回内存，就绪态挂起进程恢复为就绪态，睡眠态挂起进程恢复为睡眠态，继续等待资源/事件。 注意：挂起态与睡眠态的核心区别的是「存储位置」------睡眠态在内存，挂起态在外存。

执行态/就绪态 → 暂停态进程收到特定信号后被动进入「暂停态」，核心触发信号为 SIGSTOP（强制暂停，不可忽略）、SIGTSTP（终端暂停，如 Ctrl+Z）。暂停态进程失去执行能力，不参与 CPU 调度，仅当收到 SIGCONT 继续信号时，恢复为就绪态，重新等待调度。
暂停态 → 追踪态追踪态是调试场景下的特殊状态，当进程被调试器（如 gdb）追踪时，会从暂停态进入追踪态。此时进程受调试器控制，逐行执行指令，调试过程中保持受控暂停，调试结束后，可通过调试器发送信号，让进程恢复为就绪态继续运行。

三、进程终止与消亡（结束阶段）

执行态 → 僵尸态进程通过四种方式终止： ① 正常退出
1. mian函数中return
2. 执行exit()/Exit()/_exit()
② 异常退出
1. 调用abort()函数
2. 接收到终止信号。比如最后一个线程被取消
3. 被信号杀死。比如段错误
僵尸态 → 死亡态父进程通过调用 wait() 或 waitpid() 函数，读取僵尸态进程的退出状态，完成回收。内核收到回收请求后，彻底释放该进程的 PCB 和 PID 资源，进程进入「死亡态」，至此生命周期完全结束。若父进程未及时回收，僵尸进程会持续占用 PID，耗尽系统 PID 资源后，将无法创建新进程。

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