【Linux】对进程的理解

道尔柯南2026-08-01 12:00

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昙花一现，却等待了整个白昼；蝉鸣一夏，却蛰伏了好几个四季。

文章目录

  • 1->冯诺依曼体系结构
  • [2->操作系统（Operator System）](#2->操作系统（Operator System）)
    • [2.1 操作系统的概念](#2.1 操作系统的概念)
    • [2.2 设计操作系统的目的](#2.2 设计操作系统的目的)
    • [2.3 操作系统核心功能](#2.3 操作系统核心功能)
    • [2.4 对管理的理解](#2.4 对管理的理解)
    • [2.5 系统调用和库函数概念](#2.5 系统调用和库函数概念)
  • 3->进程
    • [3.1 进程基本概念](#3.1 进程基本概念)
      • [3.1.1 对进程的描述----PCB](#3.1.1 对进程的描述----PCB)
      • [3.1.2 task_struct](#3.1.2 task_struct)
    • [3.2 查看进程](#3.2 查看进程)
    • [3.3 进程状态](#3.3 进程状态)
      • [3.3.1 进程状态了解](#3.3.1 进程状态了解)
      • [3.3.2 进程状态查看](#3.3.2 进程状态查看)
      • [3.3.3 Z------ 僵尸进程](#3.3.3 Z------ 僵尸进程)
      • [3.3.4 僵尸进程危害](#3.3.4 僵尸进程危害)
      • [3.3.5 孤儿进程](#3.3.5 孤儿进程)
    • [3.4 进程优先级](#3.4 进程优先级)
      • [3.4.1 进程优先级的概念](#3.4.1 进程优先级的概念)
      • [3.4.2 查看系统进程](#3.4.2 查看系统进程)
      • [3.4.3 对nice值的理解](#3.4.3 对nice值的理解)
      • [3.4.4 查看进程优先级的命令](#3.4.4 查看进程优先级的命令)
      • [3.4.5 补充概念-竞争、独立、并行、并发](#3.4.5 补充概念-竞争、独立、并行、并发)
  • 结尾

1->冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如：笔记本。我们不常见的计算机，如：服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

冯诺依曼体系结构图如下：

截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成

输入单元：包括键盘，鼠标，扫描仪，写板、 话筒、网卡、磁盘（外存）等

中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等 (CPU=运算器+控制器)

输出单元：显示器，打印机、网卡、磁盘等

数据是从一个设备"拷贝"到另一个设备→体系结构的效率由设备的"拷贝"效率决定。

关于冯诺依曼，必须强调几点 ：

1.这里的存储器指的是内存

2.不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)(数据层面)

3.外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

2->操作系统（Operator System）

2.1 操作系统的概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

1.内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

2.其他程序（例如函数库，shell程序等等）

2.2 设计操作系统的目的

对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源（不是目的，是手段）

对上，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境（是目的）

注意：

1.软硬件体系结构层状结构

2.访问操作系统，必须使用系统调用，其实就是函数，只不过是系统提供的

3.我们的程序，只要你判断出它访问了硬件，那么它必须贯穿整个软硬件体系结构

4.库可能在底层封装了系统调用

2.3 操作系统核心功能

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的"搞管理"的软件

2.4 对管理的理解

举一个校长管理学生的例子，校长是不用和学生见面的，他只需要在教务系统看学生的信息对学生进行管理，比如：根据教务系统谁的绩点高，就给谁发奖学金。

日常的校长管理学生的工作变成了对学生信息链表的增删查改

这是建模的过程：先描述，再组织。

总结

计算机管理硬件

  1. 描述起来，用struct结构体

  2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

2.5 系统调用和库函数概念

• 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。

• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

3->进程

3.1 进程基本概念

• 课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等

• 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

• 当前：进程 = 内核数据结构对象(task_struct) + 自己的程序代码和数据（进程= PCB(task_struct) + 自己的代码和数据）

3.1.1 对进程的描述----PCB

进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。课本上称之为PCB（process control block），Linux 操作系统下的 PCB 是：task_struct

task_struct是PCB的一种，在 Linux 中描述进程的结构体叫做 task_struct。

task_struct 是 Linux 内核的一种数据结构类型，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

3.1.2 task_struct

内容分类

• 标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。

• 状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。

• 优先级: 相对于其他进程的优先级。

• 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。

• 内存指针: 包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针

• 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据休学例子，要加图CPU，寄存器。

• I/O状态信息: 包括显示的I/O请求,分配给进程的I/O设备和被进程使用的文件列表。

• 记账信息: 可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。

• 其他信息

组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以 task_struct 双链表的形式存在内核里。

3.2 查看进程

  1. 进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

  1. 大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

3.通过系统调用获取进程标识符

进程id (PID）

父进程id (PPID)

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()   
{      
     printf("pid: %d", getpid());
     printf("ppid: %d", getppid());
     return 0;
}

4.通过系统调用创建进程-fork初识

运行 man fork 认识fork

fork有两个返回值

父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）。把父子任何一方，进行修改数据，OS把被修改的数据在底层拷贝一份让目标进程修改这个拷贝！

c 复制代码 
 #include <stdio.h> 
 #include <sys/types.h> 
 #include <unistd.h> 

 int main()  
 { 
     int ret = fork(); 
      printf("hello proc : %d!, ret: %d ", getpid(), ret);  
      sleep(1); 
      return 0;
 }

3.3 进程状态

3.3.1 进程状态了解

进程具有独立性

一个CPU，一个调度队列

运行：进程在调度队列中进程的状态都是running!

阻塞：等待某种设备(键盘、显示器、网卡、磁盘、摄像头、话筒等）或资源就绪（cin、scanf)

进程状态的变化，表现之一就是要在不同的队列中进行流动，本质都是数据结构的增删查改！

R运行状态 (running) : 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。

S睡眠状态 (sleeping): 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠 (interruptible sleep) ）。

D磁盘休眠状态 (Disk sleep) 有时候也叫不可中断睡眠状态 (uninterruptible sleep) ，在这个状态的进程通常会等待IO的结束。

T停止状态 (stopped) ：可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。

X死亡状态 (dead) ：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。

在Linux内核源码中对进程状态的描述：

c 复制代码 
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 */ 
};

3.3.2 进程状态查看

c 复制代码 
ps aux / ps axj 命令

• a: 显示一个终端所有的进程，包括其他用户的进程。

• x: 显示没有控制终端的进程，例如后台运行的守护进程。

• j: 显示进程归属的进程组ID、会话ID、父进程ID，以及与作业控制相关的信息

• u: 以用户为中心的格式显示进程信息，提供进程的详细信息，如用户、CPU和内存使用情况等

3.3.3 Z------ 僵尸进程

僵死状态 (Zombies) 是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程 (使用wait()系统调用) 没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程

僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。

所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态

3.3.4 僵尸进程危害

进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态？是的！

维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护？是的！

那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！

内存泄漏？是的！

3.3.5 孤儿进程

父进程先退出，子进程就称之为"孤儿进程"

孤儿进程被1号init/systemd进程领养，当然要有init/systemd进程回收喽。

3.4 进程优先级

3.4.1 进程优先级的概念

  • cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。

  • 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。

  • 还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能。

3.4.2 查看系统进程

在linux或者unix系统中，用ps -l命令则会类似输出以下几个内容：

注意到其中的几个重要信息，有下：

• UID：代表执行者的身份

• PID：代表这个进程的代号

• PPID：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号

• PRI：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行

• NI：代表这个进程的nice值

3.4.3 对nice值的理解

  • nice值表示进程可被执行的优先级的修正数值

  • PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice

  • 这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行。所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值

  • nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

  • 需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。可以理解nice值是进程优先级的修正数据

3.4.4 查看进程优先级的命令

用top命令更改已存在进程的nice：

进入top后按"r"->输入进程PID->输入nice值

注意：

其他调整优先级的命令：nice，renice

系统函数：

c 复制代码 
#include <sys/time.h> 
#include <sys/resource.h> 

int getpriority(int which, int who); 
int setpriority(int which, int who, int prio);

3.4.5 补充概念-竞争、独立、并行、并发

竞争性：系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级

独立性：多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰

并行：多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行

并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

结尾

uu们，本文的内容到这里就全部结束了，道尔在这里再次感谢您的阅读！

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