linux 进程-阿里云开发者社区

进程是可执行程序的实例，是资源分配和调度的基本单位。

进程：动态执行的程序 + 虚拟内存 + 虚拟 CPU

1、进程的状态

进程的基本状态

运行态Running：进程正在占用 CPU。
就绪态Ready：进程具备执行条件，等待获取 CPU。
阻塞态Blocked：进程等待某一事件而暂停运行。

一个进程从运行态到阻塞态是主动行为，而从阻塞态到就绪态是被动行为，需要其他进程的协助

此外，进程的状态还包括

创建态 New：进程正在被创建
结束态 Exit：进程正在从系统中消失

为减少阻塞态的进程占用物理内存，在虚拟内存管理的操作系统中，通常会把阻塞态的进程换出到硬盘，等待再次运行时，再从硬盘换入到物理内存。这种进程没有占用物理内存的情况称为挂起态。ctrl + z

挂起态分为

阻塞挂起态：进程在外存并等待某个事件的出现
就绪挂起态：进程在外存，但只要进入内存，就能立刻执行

查看进程的状态

# 查看进程状态
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2、进程的组织

进程映像（进程实体）：PCB + 程序段 + 数据段

进程控制块 PCB：描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。
程序段：进程调度到 CPU 执行的代码段，可被多进程共享。
数据段。

PCB 是进程存在的唯一标识。创建进程就是创建进程映像中的 PCB，撤销进程就是撤销进程的 PCB。其中存储了各种静态信息，包括进程描述信息、进程控制和管理信息、资源分配清单、CPU 相关信息等。

例如：进程描述信息

进程标识符 PID：唯一标识进程。
用户标识符 UID：进程归属的用户，用于共享和保护。

// 返回调用进程的 PID
 pid_t getpid(void);
 // 返回父进程的 PID（创建调用进程的进程）
 pid_t getppid(void);
 // 获取用户ID
 uid_t getuid(void);
 // 获取有效用户ID 
 uid_t geteuid(void);
 // 获取组ID
 gid_t getgid(void);
 // 获取有效组ID
 gid_t getegid(void);

为了方便进程的调度和管理，内核将各进程的 PCB 组织起来，常用的方法有链接方式和索引方式。

链接方式：内核把相同状态的 PCB 链接到一个双向循环链表，组成任务队列。链表的节点类型为 task_struct ，也就是进程控制块 PCB。不同状态对应不同的任务队列，例如：就绪队列和阻塞队列

索引方式：将相同状态的进程组织在一个索引表中，索引表的表项指向相应的 PCB，不同状态对应不同的索引表等。

3、进程的控制

3.1、进程的创建

创建进程的过程（创建原语）

为新进程分配 PID，并申请一个空白的 PCB
为进程分配资源
初始化 PCB
将 PCB 插入到就绪队列，等待被调度运行；

fork 函数

父进程通过调用 fork 函数创建一个子进程。子进程是父进程的拷贝，子进程继承了父进程的地址空间（地址空间相同但是独立），共享文件。最大区别在于二者拥有不同的 PID。

fork 函数只被调用一次，却会返回两次：在父进程中，fork 返回子进程的 PID。在子进程中，fork 返回 0 。

// 返回值：子进程返回值为 0，父进程返回子进程的 PID。
 pid_t fork(void);

fork 拷贝和共享

用户态拷贝：堆、栈、数据段、代码段，进程上下文，文件流，文件缓冲区
内核态：部分拷贝（文件描述符数组），部分共享（文件描述符指向的文件对象）

fork 原理

上半部：拷贝地址空间，修改子进程 task_struct，调整 PID 和 PPID 。随后，将子进程放入就绪队列等待调度，并将子进程的 fork 的返回值修改为 0，父进程的返回值设置为子进程的 PID。该过程不可抢占。
下半部：将返回值返回给两个进程，随后修改 PC 指针，让各进程继续执行后续的命令

fork 的写时复制

写时复制(Copy on Write, COW)：fork 调用时页表复制，并且将两个进程的每个页面标记为只读，父子进程共用一块物理内存。当有进程试图写操作时，触发缺页中断，从而进行物理内存的复制，并更新其页表项指向这个新的物理内存，然后恢复这个页面的可写权限。总之，谁修改，谁拷贝内存，子进程指向这块新内存。

写时复制的最充分地使用了稀有的物理内存，只有在发生写操作的时候，系统才会去复制物理内存，从而避免物理内存的复制过程导致进程长时间阻塞。

exec 函数族

在当前进程的上下文加载并执行一个程序

fork 函数在子进程中运行相同的程序，新的子进程是父进程的一个副本；exec 函数在当前进程的上下文加载并运行一个新的程序，会覆盖当前进程的地址空间。

exec 原理

代码段，数据段被替换
堆栈清空
PC指针重新返回代码段的开始

例：实现 system 函数功能

#include <sys/types.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <unistd.h>
 extern char **environ;
 int Mysystem(const char* CMD) {
     if (CMD == NULL) {
         return 1;
     }
     if(fork() == 0) {
         execl("/bin/sh", "sh", "-c", CMD, NULL);
         _exit(127);
     }
     wait(NULL);
 }
 // 测试样例：./mysystem date 实现 sysytem("date")
 int main(int argc,char*argv[]) {
     Mysystem(argv[1]);
     return 0;
 }

3.2、进程的终止

终止进程的过程（撤销原语）

根据被终止进程的 PID，检索 PCB，读取该进程的状态
若进程处于运行态，立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
如果进程还有子进程，则将该进程的子进程交给 init 进程（pid = 1）回收
将该进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程，或归还给操作系统；
将该 PCB 从所在队列中删除

exit 函数

以 status 退出状态来终止进程。

#include <unistd.h>
 void _exit(int status);

当一个进程由于某种原因终止时，内核并不是立即把它从系统中删除。相反，进程被保持在一种已终止的状态，直到被它的父进程回收。当父进程回收已终止的子进程时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后抛弃已终止的进程，至此该进程被终止。

* 僵死进程

僵死进程：一个终止但并未被回收的进程。

父进程需要及时回收已终止的子进程。因为僵死进程即使没有运行，仍然消耗系统的内存资源。

父进程调用 wait 或 waitpid 函数来等待它的子进程终止或停止。

#include <sys/types.h>
 #include <sys/wait.h>
 // 随机等待一个子进程
 pid_t wait(int *status);
 // 等待指定 pid 的子进程
 pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

* 孤儿进程

孤儿进程：父进程先于子进程退出。自动被养父 init 进程（pid = 1）收养。当一个孤儿进程退出后，它的资源清理会交给它的父进程（init 进程）来处理。但在此之前，它一直消耗系统的资源，要尽量避免。

3.3、进程的阻塞和唤醒

阻塞进程的过程：进程等待事件，主动调用 Block 原语

找到将要被阻塞进程 PID 对应的 PCB
如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞态，停止运行
将该 PCB 插入到相应事件的等待队列，将 CPU 调度给其他就绪进程

唤醒进程：其他相关进程调用，Wakeup 原语

唤醒进程的过程如下：

在该事件的等待队列中找到相应进程的 PCB
将其从队列中移出，并置其状态为就绪态
把该 PCB 插入就绪队列中，等待调度

Block 原语和 Wakeup 是一对作用相反的原语，必须成对使用。

3.4、进程的切换

进程切换：处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中，进程运行环境产生了实质性变化。

调度是指资源分配给哪一进程的行为，是一种决策；切换是指实际分配的行为，是执行行为。一般来说，先有资源的调度，然后才有进程的切换。

进程切换的过程

保存 CPU 上下文，包括程序计数器和其他寄存器
更新 PCB信息
把进程的 PCB 移入相应的队列
选择另一个进程执行，更新 PCB
更新内存管理的数据结构
恢复 CPU 上下文

4、进程间通信

进程间主要通信方式有：管道、共享内存、信号、信号量、消息队列、套接字

参考我的博客：linux 进程间通信

5、进程调度算法

进程调度算法

先来先服务：选择最先进入队列的
短作业优先：选择完成时间最短的
优先级调度：选择优先级别最高的
高响应比优先：选择响应比最高的
时间片轮转：总是选择就绪队列中第一个进程，但仅能运行一个时间片
多级反馈队列：时间片轮转 + 优先级调度

参考

进程管理
深入理解计算机系统

linux 进程