进程的基本概念\相关命令\创建\调度\状态及相关函数接口---软件编程---嵌入式(Linux)

1、进程和线程

1.1 进程基本概念

程序： 存放在硬盘中的静态指令和数据集合，无执行状态。
进程： 是程序的动态执行实例（动态执行的过程） ，包括创建、调度、消亡的整个过程；由内核管理，包含独立的地址空间、PCB（进程控制块）、文件描述符表等，是操作系统资源分配的最小单位。

1.2 进程相关命令

1.2.1 top

作用：动态实时查看所有进程任务信息，按 CPU / 内存占用率排序
核心字段 ：
- PID：进程唯一 ID（值 > 0）
- PPID：父进程 ID
- % CPU：进程占用 CPU 百分比
- % MEM：进程占用内存百分比
- COMMAND：进程对应的命令 / 程序名
常用操作： 按 P 按 CPU 排序、按 M 按内存排序、按 q 退出

如下图所示：

1.2.2 ps -ef

作用：查看当前系统中所有进程任务的完整信息（标准格式，包含 UID、PPID 等）
格式解读 ：
- UID：进程所属用户 ID
- PID：进程 ID
- PPID：父进程 ID
- C：CPU 占用率
- STIME：进程启动时间
- TTY：进程关联的终端（? 表示无终端）
- TIME：进程占用 CPU 总时间
- CMD：进程命令
实用用法 ：ps -ef | grep 进程名 ------ 过滤查找指定进程（注意： grep 自身会匹配出一条，可加 | grep -v grep 排除）

如下图所示：

1.2.3 ps -aux

作用：查看进程信息(进程状态)
核心字段 ：
- USER：进程所属用户
- PID：进程 ID
- % CPU：CPU 占用百分比
- % MEM：内存占用百分比
- VSZ：虚拟内存大小（KB）
- RSS：物理内存占用（KB）
- STAT：进程状态（R 运行、S 睡眠、Z 僵尸、T 停止等）
- COMMAND：进程命令
实用用法 ：ps -aux | grep 进程名 ------ 比 ps -ef 更直观看到资源占用

如下图所示:

1.2.4 kill

作用：向进程发送信号，实现终止 / 暂停等操作（默认发送 15 号终止信号，-9 为强制杀死）
常用用法 ：
- kill 进程PID：发送 15 号信号（SIGTERM），让进程优雅退出（可被进程自身忽略）
- kill -9 进程PID：发送 9 号信号（SIGKILL），强制杀死进程（无法忽略，慎用）
- killall -9 进程名：按进程名强制杀死所有同名进程

1.2.5 &

作用：执行命令时，将任务放到后台运行（终端可继续输入其他命令）
用法：./a.out &
注意：后台进程仍与当前终端关联，终端关闭则进程可能终止

1.2.6 ps

作用：查看当前终端下由当前用户启动的所有前后台进程（不含完整信息）
补充：ps -l 可查看当前终端进程的详细信息（含优先级、状态等）

如下图所示:

1.2.7 jobs

作用：查看当前终端下的所有后台 / 暂停任务，并显示任务编号（%1、%2...）
核心字段 ：
- 任务编号：如 [1]、[2]
- 状态：Running（运行）、Stopped（暂停）
- 命令：任务对应的命令
用法：直接输入 jobs 即可，常用参数 jobs -l 可同时显示进程 PID

1.2.8 fg 编号

作用：将后台运行 / 暂停的任务调至前台执行
用法：
- fg 1 或 fg %1：将编号 1 的后台任务调到前台
- 若只有一个后台任务，直接 fg 即可（无需编号）

1.2.9 nice

作用：启动进程时指定其优先级（Linux 优先级范围：-20（最高） ~ 19（最低），默认 0）
用法：nice -n 优先级命令
- 例：nice -n 10 ./a.out ------ 以优先级 10 启动 a.out（更低优先级，占用 CPU 更少）
- 例：nice -n -5 ./a.out ------ 以优先级 - 5 启动（更高优先级，需 root 权限）
注意：普通用户只能设置 0~19，负优先级（-20~-1）需 root 权限

1.2.10 renice

作用：修改正在运行的进程的优先级
用法：renice -n 优先级进程PID
- 例：renice -n 5 12345 ------ 将 PID 为 12345 的进程优先级改为 5
注意：
- 普通用户只能调高自身进程的优先级（如从 0→5），不能调低；root 可任意修改
- 优先级范围同 nice：-20 ~ 19

1.3 进程的创建

虚拟地址：MMU（内存管理单元）将物理地址映射后的可以访问的地址空间

物理地址：硬件RAM的实际空间地址，用户一般不允许直接访问物理地址，要通过MMU映射为虚拟地址再进行访问

虚拟地址空间分布：

每个进程执行，操作系统会为进程分配0-4G虚拟内存空间

0-3G(用户空间) 3-4G(内核空间)

文本段（.text）：只读，存放代码和相关指令
数据段：
- 存放字符串常量(.rodata)
- 已初始化全局/静态变量(.data)：在编译时分配空间，程序运行时加载到内存空间中
- 未初始化全局/静态变量(.bss)：（编译时不占空间，运行时分配并初始化为 0）在进程启动后由进程默认初始化为0值
栈区(.stack)：默认8M，存放局部变量、函数参数、返回地址，未经初始化值为随机值，超过变量作用域自动回收变量空间，增长方向自高向低增长
堆区(.heap)：剩余的空间为堆区，可以由程序员手动申请释放，增长方向自低向高增长
内核：所有进程共享，存放内核代码 / 数据，用户无法访问

1.4 多个进程的空间（进程空间是独立的）

每个进程都有独立的 0~4G 虚拟地址空间 （虚拟地址值可重复），MMU 会将不同进程的虚拟地址映射到不同的物理地址空间。
例：进程 1 和进程 2 的虚拟地址 0x1000，MMU 会映射到物理内存的不同位置（如 0x80000000 和 0x90000000），保证进程间内存隔离。
多进程共用同一虚拟地址空间，但物理是独立的

1.5 进程的调度

核心原则：操作系统内核的进程调度器负责分配 CPU 资源，目标是 "公平 + 高效利用 CPU"。
核心特点：宏观并行（用户看多个进程同时运行），微观串行（CPU 核心同一时间只执行一个进程）。
常见调度算法 ：
1. 先来先服务（FCFS）(先来先执行，后来后执行)：按进程到达顺序调度，优点简单，缺点 "饥饿"（长进程阻塞短进程）。
2. 短作业优先（SJF）：优先调度运行时间短的进程，减少平均等待时间，缺点 "长作业饥饿"、需预估作业时长。
3. 高优先级调度：优先级高的进程先执行（Linux 优先级：-20 最高，19 最低），分为：
  - 非抢占式：高优先级进程需等当前进程执行完 / 主动放弃 CPU；
  - 抢占式：高优先级进程可打断当前进程（Linux 默认）。
4. 时间片轮转（RR）：普通进程默认用，时间片 5~10ms，宏观并行（用户感知同时运行），微观串行（CPU 单核同一时间仅执行一个进程）。就绪队列中的进程轮流占用 CPU，时间片到则切换到下一个进程，保证公平性。
5. 多级队列反馈调度：结合优先级 + 时间片，不同优先级队列用不同时间片（高优先级时间片短），进程执行超时则降级到低优先级队列，兼顾公平与效率。
6. 负载均衡调度：多 CPU / 多核场景，将进程调度到负载低的 CPU 核心，提升整体利用率。

1.6 进程的状态

运行态（R）：任务正在被CPU执行

就绪态（R）：任务正在处于就绪队列中，但未被CPU调度到

可唤醒等待态（S）：任务等待某个资源被CPU挂起，等待过程中可以被唤醒

不可唤醒等待态（D）：任务等待某个资源被CPU挂起，等待过程不能被打断;D 状态进程不能被 kill -9 终止，只能等其完成 IO 或重启系统

停止态（T）：用户将某个任务暂停

僵尸态（Z）：进程执行结束，空间未被回收;父进程未调用 wait/waitpid 回收资源;僵尸态（Z）只能通过杀死父进程解决

结束态（X）：进程执行结束，空间也被回收

1.7、进程相关的函数接口

1.7.1 fork

函数原型

cpp 复制代码

#include <unistd.h> // 头文件必须补充
pid_t fork(void);

功能：创建一个新的子进程，子进程是父进程的 "副本"；调用一次，返回两次（父 / 子进程各返回一次）。
参数：缺省
返回值 ：
- 父进程：返回子进程的 PID（>0）；
- 子进程：返回0；
- 失败：返回 -1（如系统进程数达到上限），并设置 errno。
内存拷贝机制：

子进程会拷贝父进程的文本段（代码）、数据段（静态变量、全局变量、字符串常量）、堆区（malloc）、栈区（局部变量）

执行逻辑 ：fork 成功后，父子进程从 fork 的下一行代码开始并发执行（谁先执行由操作系统调度决定）。
示例代码：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int a = 10;
    pid_t pid = fork(); // 调用一次，返回两次

    if (pid > 0) {
        // 父进程执行区
        a = 20;
        printf("父进程：PID=%d，子进程PID=%d，a=%d\n", getpid(), pid, a);
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程执行区
        a = 30;
        printf("子进程：PID=%d，父进程PID=%d，a=%d\n", getpid(), getppid(), a);
    } else {
        perror("fork失败"); // 打印错误原因
        return -1;
    }
    return 0;
}

1.7.2 getpid

函数原型

cpp 复制代码

#include <unistd.h>
pid_t getpid(void);

功能：获取当前调用进程的 PID（进程唯一标识）。
参数：缺省
返回值：成功返回当前进程的 PID（始终 > 0）；无失败场景。
使用场景：打印进程 ID、区分父子进程等。

1.7.3 getppid

函数原型

cpp 复制代码

#include <unistd.h>
pid_t getppid(void);

功能：获取当前调用进程的父进程的 PID。
参数：缺省
返回值：成功返回父进程 PID；无失败场景。
易错点：若父进程先于子进程退出，子进程会被 init 进程（PID=1）收养，此时子进程调用 getppid () 会返回 1。