Linux 进程属性详解

我们平常查看进程，一般用 ps，或者看看 /proc/ 目录。

操作系统里同时跑着这么多进程，是靠什么把它们区分开、组织起来的？

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一、PID：进程的身份标识

PID 是什么？

Process ID，每个进程运行的时候都有一个属于自己的编号，用来把不同的进程区分开。

所以 ps 这个命令，本质上就是去遍历内核里的那个进程链表，然后把拿到的信息格式化打印出来。

PID 放在哪里？

PID 是进程的一个属性，存放在 PCB（进程控制块）里面。

有个问题：学校的保安也在学校里面，那保安算不算学生呢？

------ 有点像这个意思：PID 虽然在 PCB 里，但它只是用来标识进程的一个字段，不能说它本身就是一个进程。

同一个进程再次启动，PID 可能会变

就像高考，不满意考上的院校，于是你二战。最后你又考上了同一所学校，但这次你的学号相对于之前可能就变了。

如何获取自己的 PID？

我们做的所有操作，最后都要变成一个进程来跑。

那如果我想在程序里拿到自己这个进程的 PID，该怎么做呢？

所有操作都得通过系统接口来完成，所以系统提供了一个获取 PID 的接口：getpid()。

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二、PPID：父进程是谁

知道了自己的 PID，那它的"上级"是谁？

这就引出了 PPID------父进程的 PID。

每次登录云服务器，操作系统都会给我们新建一个 bash 进程作为当前会话的父进程，而原来的 bash 进程也不会消失，只是不再是你的父进程了。

我们所有的命令行操作，父进程都是 bash，即命令行解释器。
bash 只负责解释命令行，子进程运行出问题也不会影响 bash 进程------这就是通过创建子进程来实现的（后面会讲）。

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三、常用命令

查看进程

ps ajx | head -1   # 看表头
ps ajx | grep xxx   # 过滤想要的内容

杀死进程

kill -9 22146

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四、进程的创建

我们上文一直提到进程，那进程是如何创建的？

当然也是通过调用操作系统提供的接口。

• ./xxx ------ 命令行层面创建进程

• fork() ------ 代码层面创建进程

fork() 干了什么？

为父子进程分别创建 PCB，让子进程与父进程共享代码（代码是只读的，可以共享）。

创建子进程，本质上就是系统中多了一个进程。

为什么 fork 要有两个返回值？

是为了区分让不同的执行流执行不同的代码块。

一般而言，fork 之后的代码父子共享，但通过返回值可以分开执行不同逻辑。

为什么给子进程返回 0，给父进程返回子进程的 PID？

现实生活中，一个父亲能有多个子女，而这些子女只有一个父亲。

给父进程返回子进程 PID，是为了让父进程能区分和管理自己的多个子进程；给子进程返回 0，是因为子进程想要知道自己的父进程非常简单：getppid()即可。

一个函数是如何做到返回两次的？

关键在于：fork 在返回之前，进程创建的操作已经完成了。

这时候父子进程都已经存在，所以 fork 会在父子进程里各返回一次------父进程返回子进程的 PID，子进程返回 0。

从调用者的视角看，就像是 fork 一次调用，返回了两次。

一个变量怎么会有不同的内容？

任何平台，进程在运行时都具有独立性，互不影响。

因为数据可能被修改，所以为了确保独立性，父子进程不会共享"同一份"数据。

写时拷贝

为了节约系统资源，操作系统不会将父进程的数据完全拷贝给子进程，而是按需分配。

只有某一方尝试修改数据时，才会把对应的那一页内存拷贝一份，让父子各自拥有一份副本。

父子进程创建好后，谁先运行？

由调度器决定，没有具体的先后顺序。

但这对我们并没有什么影响，我们只关心最后进程能否正常运行。

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五、进程状态

经典进程状态 ：运行、阻塞、挂起

运行态与就绪态

• 运行态：进程正在 CPU 上真正执行。

• 就绪态：进程已经具备运行条件，在运行队列里排队，随时可以被调度上 CPU。

进程在被 CPU 执行前，都会先被链入一个"运行队列"（里面放的是就绪态进程），然后 CPU 从中一个个读取。

一个进程只要开始运行，是不是就要一直执行完毕才让出 CPU？

不是！

每个进程都有一个时间片 的概念。时间片用完后，内核会触发时钟中断，把 CPU 交给下一个进程。

这种分时扫描的执行方式，让我们感觉所有进程都在同时跑------这也是 RTOS 在单核 CPU 上跑出多任务（并发）的原理。

阻塞状态

学过单片机编程的都知道，单片机中的 delay 会导致等待。

但要注意区别：

• 裸机的 delay：CPU 在空转（忙等），仍然占用 CPU

• 操作系统中的阻塞：进程主动让出 CPU，进入等待队列，CPU 去执行其他进程

操作系统管理硬件资源的方式，同样是"先描述，再组织"------这和我们单片机编程时配置 GPIO、UART、I2C、SPI 的思路是一致的。

被链入等待队列的进程，就处于阻塞状态。

挂起状态

当操作系统内部资源严重不足时，为了保证运行态进程正常运行，操作系统会将内存中处于阻塞态进程的代码和数据转移到磁盘中。

此时的进程就处于挂起状态。

绝大多数挂起都是阻塞挂起，运行挂起非常罕见。

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六、Linux 中的具体进程状态

在初步了解了经典进程状态后，我们可以进一步看看，在 Linux 中进程具体有哪些状态。

一个进程的状态，取决于它的 PCB 被放在了哪个队列里，和进程的代码、数据所在位置关系不大。

就像你属不属于这个学校的学生，并不取决于你本人是否在学校里，而是你的个人档案是否在学校里。

Linux 中常见的进程状态：

R（运行状态，TASK_RUNNING）

并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么正在运行，要么在运行队列里排队（即就绪态）。

S（睡眠状态，TASK_INTERRUPTIBLE）

可中断睡眠，意味着进程在等待某个事件完成（如等待输入）。

例如执行 scanf 时，进程就处于 S 状态，等用户输入完成后被唤醒。

所以睡眠态常见于等待输入/输出外设。

D（磁盘休眠状态，TASK_UNINTERRUPTIBLE）

也叫不可中断睡眠。这种状态的进程通常在等待 I/O 结束（如向磁盘写入数据）。

为什么需要 D 状态？

当系统内存严重不足时，哪怕用上了 swap（内存交换）也撑不住了，操作系统就会开始杀进程，挑一个"看着不太忙"的干掉，腾出资源。

想象一下：A 进程正在向磁盘写入机密数据，此时系统资源紧张，操作系统如果"吧唧"一下把看似空闲的 A

进程杀了，磁盘数据写入到一半发现没人管了，就会出问题。

D 状态就是为了保护这类关键 I/O 操作不被中断------让进程在等磁盘 I/O 的时候，操作系统杀不动它。

所以，如果你能看到 D 状态的进程，说明你的操作系统可能已经快撑不住了。

T（停止状态，TASK_STOPPED）

可以通过发送 SIGSTOP 信号暂停进程，此时进程进入 T 状态；发送 SIGCONT 信号可让其继续运行。

停止态和睡眠态的区别在于：睡眠态一定是在等待某些资源（如输入），而停止态可能只是单纯被暂停，比如我们调试程序时，断点处就是停止态。

X（死亡状态，TASK_DEAD）

这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到它。此时进程进入回收队列，释放占用的资源。

我们用ps查看进程时，看到的大多是 S 状态（可中断睡眠），而不是 R 状态。

因为绝大多数程序运行过程中，大部分时间都在"等待"------等时间片、等 I/O、等用户输入。

而CPU 执行速度极快，每个进程的时间片一眨眼就用完了。你敲ps的那一刻，它大概率正在排队，而不是正好在 CPU 上跑。

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七、僵尸进程

什么是僵尸进程？

当子进程退出，而父进程没有调用 wait() 或 waitpid() 读取子进程的退出状态时，子进程就会进入僵尸状态（Zombie） 。

僵尸进程会以终止状态保留在进程表中，等待父进程读取它的退出码。

为什么要有僵尸状态？

进程退出后，它的退出状态（成功还是失败，返回码是多少）必须被维持下去，因为它要告诉父进程：你交给我的任务，我办得怎么样了。

如果父进程一直不读取，子进程就一直处于 Z 状态，它的 PCB 也一直保留着。

僵尸进程的危害

一个父进程创建了很多子进程却不回收，这些子进程的 PCB 就会一直占用内存，造成内存泄漏 。

怎么避免？后面讲。

就像案发现场，警察不会直接处理后事，而是先保护现场、收集信息，然后通知家属。如果家属一直不来，案发现场就不得不一直保持原样。

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八、孤儿进程

什么是孤儿进程？

如果父进程先退出，而子进程还在运行，那么子进程就成了"孤儿进程"。

孤儿进程会被 1 号进程（init 进程）收养，后续由 init 负责回收。

为什么要领养？

因为孤儿进程将来也会退出，必须有人负责回收它占用的资源。

领养后，子进程的父进程就变成了 1 号进程。

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九、进程优先级

什么是优先级？

CPU 资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权。

优先级高的进程有优先执行的权利。

优先级和权限的区别

• 优先级：决定使用资源的先后顺序

• 权限：决定你是否有权使用资源

为什么要引入优先级？

因为 CPU 资源是有限的，而进程是多个的，所以进程之间天然存在竞争性 。

操作系统必须保证大家良性竞争，所以需要确定优先级。

如果一个进程长时间得不到 CPU 资源，它的代码就无法推进------这就是进程饥饿问题。

很好理解：每天打饭都要排队，为什么学校不给我们每个人配个厨师？因为资源有限嘛。

如果学校不保证良性竞争，身体弱的学生就可能一直抢不到饭。

PRI 和 NI

• PRI：进程的优先级，值越小，优先级越高，越早被执行。

• NI（nice） ：进程优先级的修正值。

  最终优先级计算公式：PRI(new) = PRI(old) + nice

  nice 的取值范围是 -20 到 19，共 40 个级别。

  nice 为负值时，优先级变高；nice 为正值时，优先级变低。

需要强调：nice 值不是优先级，而是优先级的修正数据。

能随意修改优先级吗？

理论上可以（如裸机开发场景下），但操作系统不允许你随意调整，它只允许你在规定范围内调整（通过 nice 值）。

查看进程优先级的命令

• ps -l 可以查看 PRI 和 NI

• top 命令可以动态查看并调整已存在进程的 nice 值（在 top 界面按 r 键，然后输入 PID 和新的 nice 值）

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十、其它概念

• 竞争性：系统进程数目众多，而 CPU 资源有限，进程之间具有竞争属性。为了高效完成任务，合理竞争资源，便有了优先级。

• 独立性：多进程运行时，各自独享资源，互不干扰。

• 并行 ：多个进程在多个 CPU 上同时运行。

• 并发：多个进程在一个 CPU 上通过进程切换的方式，在一段时间内都得以推进。

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十一、bash 与子进程的关系

现在我们再回头看最开始提到的 bash。

我们所有的命令行操作，父进程都是 bash，那 bash 如何保证它创建的进程与自己互不影响？

------ 通过创建子进程来完成。如何创建？fork()。

这也是 bash 执行命令解释的基本方式：fork 出一个子进程，然后子进程去执行命令，父进程（bash）继续等待或做自己的事。