Linux进程全面解析：从基础到高级管理(2/3)

• 认识冯诺依曼系统

• 操作系统概念与定位，理解 "管理"

• 深入理解进程概念，了解 PCB

• 学习进程状态，学会创建进程，掌握僵尸进程和孤儿进程，及其形成原因和危害

• 了解进程调度，Linux 进程优先级，理解进程竞争性与独立性，理解并行与并发

• 理解进程切换，以及 Linux2.6 kernel，O (1) 调度算法架构

• 理解环境变量，熟悉常见环境变量及相关指令getenv/setenv函数

• 理解 C 内存空间分配规律，了解进程内存映像和应用程序区别，认识虚拟地址空间。

书接上文：

Linux进程全面解析：从基础到高级管理(1/3)https://blog.csdn.net/syagain_zsx/article/details/161751639?spm=1001.2014.3001.5501

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三、进程

3-1 进程基本概念与基本操作

从不同维度可对进程做出精准定义，Linux系统下进程有明确的组成结构：

• 课本概念：程序的一次执行实例、正在运行的程序。

• 内核观点：承担系统资源分配的实体，负责占用CPU时间、内存等核心系统资源。

• Linux实操定义：进程 = 内核数据结构（task_struct） + 自身程序代码与数据。

3-1-2 描述进程------PCB（进程控制块）

操作系统需要统一管理所有进程，因此需要专门的数据结构记录进程所有信息，即PCB。

• 进程的所有属性信息，都会存储在**进程控制块（PCB）**中，可简单理解为进程属性的集合。

• Linux操作系统中，PCB对应的具体数据结构为task_struct，是PCB在Linux下的具体实现。

task_struct 核心特性：

• 是Linux内核自定义的专用数据结构类型。

• 系统运行时会被加载到内存（RAM）中，完整保存对应进程的全部信息。

3-1-3 task_struct 核心内容分类

task_struct 结构体包含进程运行的所有核心信息，主要分为以下类别：

• 标识符：进程唯一标识，用于系统区分不同进程。

• 状态信息：记录进程任务状态、退出代码、退出信号等核心状态数据。

• 优先级：定义进程相对于其他进程的执行优先级，影响进程调度顺序。

• 程序计数器：保存进程下一条待执行指令的内存地址。

• 内存指针：包含进程代码、数据的内存指针，以及进程间共享内存块的指针。

• 上下文数据：进程暂停执行时，CPU寄存器中留存的临时数据（进程切换核心依据）。

• I/O状态信息：记录进程的I/O请求、已分配的I/O设备、进程占用的文件列表等信息。

• 记账信息：统计进程占用的CPU总时长、时钟数、运行时长限制、账号信息等。

• 其他信息：包含进程运行所需的其余辅助参数，后续详细讲解。

进程组织方式：

系统中所有正在运行的进程，其对应的 task_struct 结构体，都会以双向链表 的形式在内核中统一组织、管理，可在内核源代码中查阅相关定义。

3-1-4 查看进程的方式

Linux系统提供两种主流方式查看进程信息：

1. 通过 /proc 系统文件夹查看 ：proc是系统虚拟文件目录，实时存储系统进程信息。例如PID为1的进程信息，可通过 /proc/1 文件夹查看。

2. 通过用户级工具查看 ：常用 top（实时监控进程）、ps（查看静态进程快照）指令获取进程信息。

常驻进程测试代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    while(1){
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3-1-5 系统调用获取进程标识符

Linux提供专属系统调用函数，可获取进程核心标识：

• PID（进程ID） ：当前进程的唯一标识，通过 getpid() 获取。

• PPID（父进程ID） ：创建当前进程的父进程标识，通过 getppid() 获取。

获取PID、PPID测试代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    printf("pid: %d\n", getpid());
    printf("ppid: %d\n", getppid());
    return 0;
}

3-1-6 系统调用创建进程------fork初识

可通过 man fork 指令查询fork函数官方手册，其核心特性如下：

• fork 函数拥有两个返回值，是进程创建的核心特性。

• 父子进程代码完全共享 ，数据独立私有，采用写时拷贝机制节省内存。

基础fork创建进程代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    sleep(1);
    return 0;
}

实际开发中，fork创建进程后，需通过if分支实现父子进程逻辑分流：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int ret = fork();
    if(ret < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(ret == 0){ // 子进程执行逻辑
        printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }else{ // 父进程执行逻辑
        printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

课堂核心重点（待后续详解）

• fork 函数为什么会存在两个返回值？

• 两个返回值分别如何分配给父进程、子进程？

• 同一变量返回值，为何能同时满足 if、else if 不同分支条件（后续课程详解）

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3-2 进程状态

3-2-1 Linux内核源代码进程状态定义

为区分进程运行的不同场景，Linux内核定义了多种进程状态（内核中进程也称为任务），所有状态均在内核源码中统一枚举定义，具体如下：

/*
*The task state array is a strange "bitmap" of
*reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
*you can test for combinations of others with
*simple bit tests.
*/
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 */
};

各进程状态详细解析：

• R 运行状态（running）：并非代表进程一定正在占用CPU运行，只要进程处于运行中，或位于CPU运行队列中等待调度，均为R状态。

• S 可中断睡眠状态（sleeping）：进程等待某一事件完成而主动休眠，属于可中断睡眠，可被信号唤醒。

• D 不可中断磁盘休眠状态（disk sleep） ：进程等待IO操作结束，该状态下进程不可被信号中断、唤醒，常用于磁盘读写等关键IO场景。

• T 停止状态（stopped） ：进程被暂停运行。可通过 SIGSTOP 信号暂停进程，通过 SIGCONT 信号恢复进程继续运行。

• t 追踪停止状态（tracing stop）：进程被调试工具、ptrace系统调用追踪时的暂停状态。

• X 死亡状态（dead）：进程彻底释放资源的临时返回状态，瞬时结束，无法在任务列表中观测到该状态。

• Z 僵尸状态（zombie）：子进程退出，父进程未读取其退出状态，子进程残留PCB信息驻留进程表的特殊状态。

3-2-2 进程状态查看指令

Linux主要通过 ps aux、ps axj 查看系统进程状态，各参数作用：

ps aux / ps axj 命令

• a：显示当前终端下所有用户的全部进程，包含其他用户进程。

• x：显示无控制终端的进程，多用于查看后台守护进程。

• j：展示进程组ID、会话ID、父进程ID等作业控制相关信息。

• u ：以用户维度展示进程详情，包含进程所属用户、CPU占用、内存占用等信息。

3-2-3 僵尸进程（Z）

僵尸进程是Linux中特殊的进程状态，有明确的生成条件与运行特性：

• 生成原因 ：子进程正常退出，父进程未调用 wait() 等系统调用读取子进程的退出返回值。

• 核心特性：子进程退出后，资源大部分释放，但PCB进程控制块会保留在系统进程表中，持续等待父进程读取退出状态。

• 判定条件：子进程退出、父进程正常运行、父进程未回收子进程资源，子进程进入Z僵尸状态。

僵尸进程模拟代码（维持30秒僵尸进程）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id > 0){ 
        // 父进程：持续运行，不回收子进程
        printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
        sleep(30);
    }else{ 
        // 子进程：运行5秒后退出，成为僵尸进程
        printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    return 0;
}

测试方式 ：编译运行代码，新开终端使用 ps aux 实时查看进程状态，可观测子进程5秒后变为Z状态。

编译并在另⼀个终端下启动监控

开始测试

看到结果

3-2-4 僵尸进程的危害

• 进程退出状态需要通过PCB保存，用于告知父进程任务执行结果，若父进程长期不读取，子进程将持续保持Z状态。

• 僵尸进程的PCB不会被系统释放，会持续占用内存空间，属于永久占用的内核数据结构资源。

• 若父进程频繁创建子进程且不回收，会产生大量僵尸进程，持续消耗系统内存，最终造成内存泄漏。

• 系统进程数量存在上限，大量僵尸进程会占用进程名额，导致后续无法创建新进程。

3-2-5 孤儿进程

与僵尸进程对应，孤儿进程是父进程提前退出产生的特殊进程：

• 生成原因：父进程先于子进程退出，剩余继续运行的子进程称为孤儿进程。

• 系统处理机制：孤儿进程会被系统1号进程（init/systemd）自动领养，由1号进程统一负责回收孤儿进程的退出资源，无内存泄漏危害。

孤儿进程模拟代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0){
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(id == 0){
        // 子进程：长时间运行
        printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
        sleep(10);
    }else{
        // 父进程：3秒后提前退出
        printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
        sleep(3);
        exit(0);
    }
    return 0;
}

3-3 进程优先级

3-3-1 基本概念

进程优先级是CPU分配系统资源的核心依据，决定进程的调度先后顺序：

• 优先级越高的进程，拥有优先被CPU调度执行的权利。

• 合理配置进程优先级，可优化多任务系统的资源分配，提升整机运行性能。

• 支持进程CPU绑定，可将低优先级进程固定在指定CPU核心，优化整体调度效率。

3-3-2 查看系统进程优先级信息

通过 ps -l 命令可查看进程核心优先级相关字段，关键参数解析：

• UID：进程执行者的用户身份ID。

• PID：进程唯一标识ID。

• PPID：父进程ID，标识进程的创建来源。

• PRI：进程默认优先级（80），数值越小，优先级越高，越先被CPU执行。

• NI：进程nice值，用于修正进程优先级。

3-3-3 PRI与NI详解

• PRI：进程基础优先级，决定进程调度基础顺序，数值越小优先级越高。

• NI（nice值）：优先级修正数值，是用户可手动调整的参数。

• 优先级计算公式：PRI(new) = PRI(old) + nice

• nice值为负数：新PRI值变小，进程优先级升高，执行优先级更高。

• nice值为正数：新PRI值变大，进程优先级降低。

• 取值范围 ：nice值固定为 -20 ~ 19，共40个优先级档位。

• Linux下调整进程优先级，本质就是修改进程的nice值。

• 总的优先级范围 60, 99

3-3-4 PRI与NI核心区别

• PRI是进程的真实调度优先级，NI是优先级的修正参数，二者并非同一概念。

• nice值无法直接决定优先级，只能对原生PRI优先级进行微调修正。

3-3-5 进程优先级查看与修改方式

1、top命令动态修改nice值

1. 终端输入 top 进入进程监控界面；

2. 按下 r 键，输入目标进程PID；

3. 输入新的nice值，即可完成优先级修改。

2、专用命令 ：nice（创建进程时指定优先级）、renice（修改已存在进程优先级）

3、系统调用函数

#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>
// 获取进程优先级
int getpriority(int which, int who);
// 设置进程优先级
int setpriority(int which, int who, int prio);

3-3-6 进程核心补充概念

• 竞争性：系统进程数量远多于CPU核心数量，所有进程竞争有限的CPU资源，因此系统通过优先级机制规范资源分配，保证任务高效执行。

• 独立性：多进程并发运行时，各进程拥有独立资源空间，运行过程中相互隔离、互不干扰。

• 并行 ：多CPU核心环境下，多个进程在不同CPU核心上同时运行，真实同步执行多个任务。

• 并发：单CPU核心环境下，系统通过快速进程切换，让多个进程在一段时间内交替推进，宏观上实现多任务同时运行，微观上同一时刻仅有一个进程运行。

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