深入浅出：进程管理的艺术-阿里云开发者社区

进程的定义

进程可以被视为一个执行中的程序实例，它包含了程序代码、数据集以及一个描述其状态和控制信息的进程控制块（Process Control Block, PCB）。操作系统通过PCB来跟踪和控制进程的执行状态，包括进程的ID、内存映射、打开的文件、状态信息等。

进程的特征

动态性：进程是程序的一次执行过程，有创建、执行和消亡的生命周期。
并发性：多个进程可以并发执行，共享处理器和其他系统资源。
独立性：每个进程都有自己独立的内存空间和系统资源，相互之间不受影响。
异步性：进程的执行是异步的，即进程的执行速度不可预知，受到多种因素的影响。

进程的状态

进程在其生命周期中会处于不同的状态，主要包括：

就绪状态：进程已经准备好执行，等待CPU资源。
执行状态：进程正在使用CPU执行指令。
阻塞状态：进程因为等待某种事件（如I/O操作完成）而暂时不能执行。

进程与程序的区别

程序是一组指令的集合，是静态的；而进程是程序在某个数据集上的一次执行过程，是动态的。
程序是永久的，存储在磁盘上；进程是暂时的，存在于内存中，随程序的启动而创建，随程序的结束而消亡。

进程的控制和管理

操作系统负责管理和控制进程，主要包括：

进程创建：操作系统为新进程分配资源，初始化PCB。
进程调度：决定下一个执行的进程，将CPU分配给进程。
进程同步：协调多个进程对共享资源的访问，防止冲突。
进程通信：允许进程间交换信息，支持进程协同工作。
进程终止：回收进程占用的资源，结束进程的生命周期。

进程的特点

1. 虚拟内存空间的分配

虚拟地址空间：在典型的32位系统中，进程拥有一个4GB的虚拟地址空间，这个空间被分为两部分：

用户空间（0-3GB）：这部分空间专属于每个进程，用于存放代码、数据、堆和栈等，是进程的私有区域，其他进程无法直接访问。
内核空间（3-4GB）：这部分空间是所有进程共享的，主要存放操作系统内核代码和数据结构。当进程需要与内核交互时，如进行系统调用，会进入内核空间。

2. 时间片轮转调度

时间片调度：操作系统采用时间片轮转（Round Robin, RR）调度策略来管理多个进程。每个进程在获得CPU执行权时，会被分配一个固定的时间片（通常几毫秒到几十毫秒不等），在此期间，进程独占CPU资源执行。
多任务处理：通过快速地在多个进程之间切换执行（时间片轮转），操作系统可以给用户创造出多任务并行执行的错觉，即使在单核CPU上也能实现高效的多任务处理。

图解：

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进程段

数据段（Data Segment）

存储内容：数据段主要用于存储进程中的全局变量、静态变量以及动态分配的内存。全局变量是指在程序的多个函数间共享的数据，而静态变量则是在函数外部声明但在函数内部使用的变量，它们在程序的整个生命周期中都保持有效。
动态数据分配：使用如 malloc、calloc、realloc 和 free 等函数动态分配的内存也位于数据段中，这部分内存通常被称为“堆”（Heap），它提供了灵活的内存管理能力，允许程序在运行时根据需要动态地分配和释放内存空间。

正文段（Text Segment）

存储内容：正文段，也称作代码段或文本段，主要用于存储程序的可执行代码。这些代码是预先编译好的机器指令，由操作系统加载到内存中供 CPU 执行。正文段通常具有只读属性，以防止程序意外修改自己的代码，从而提高程序的稳定性和安全性。

堆栈段（Stack Segment）

存储内容：堆栈段是用于存储函数调用过程中产生的临时数据的区域，主要包括：

函数的局部变量：这些变量在函数调用时创建，在函数退出时销毁。
函数调用的参数：当一个函数被调用时，其参数会按照一定的顺序压入堆栈。
返回地址：记录调用者的位置，以便函数执行完毕后返回到正确的指令处继续执行。

工作原理：堆栈段遵循“先进后出”（LIFO, Last In First Out）的原则，通过压栈（PUSH）和弹栈（POP）操作来管理数据的进出，这种机制简化了函数调用的管理，使得函数调用和返回的控制流更加清晰和高效。

进程分类

交互进程

特性与用途：交互进程通常由 shell 启动，直接与用户交互，响应用户输入并展示输出结果。这类进程既可以运行在前台，占据用户的终端界面，也可以运行在后台，不干扰用户的其他操作。典型的交互式进程包括 shell 命令、文本编辑器（如 vi 或 nano）、图形界面应用程序等。

批处理进程

特性与用途：批处理进程不直接与用户交互，它们通常被提交到一个队列中，按顺序执行。这类进程主要用于处理大量数据或执行长时间运行的任务，如批量数据处理、备份作业、系统维护任务等。由于不需要用户实时干预，批处理进程可以高效利用系统资源，避免因用户交互而引起的中断和延迟。

守护进程

特性与用途：守护进程是长期运行在后台的服务进程，它们在系统启动时被激活，持续运行直到系统关闭。守护进程不依附于任何终端，主要负责提供系统级的服务，如网络服务（HTTP、FTP）、系

进程状态

新建状态（New）：当一个进程被创建时，它首先进入新建状态。此时，操作系统为其分配必要的资源，如内存、文件描述符等，并初始化进程控制块（PCB）。进程尚未被调度执行。
就绪状态（Ready）：进程已经准备好执行，但由于当前CPU正忙于其他进程，它需要等待调度器的调度。在就绪状态下的进程位于就绪队列中，等待CPU时间片。一旦被调度，进程将从就绪状态转变为执行状态。
执行状态（Running）：进程正在使用CPU执行指令。在多任务操作系统中，执行状态的进程可能很快就会因为时间片到期、更高优先级的进程就绪或进程自身请求I/O操作等原因而转变为其他状态。
阻塞状态（Blocked）：也称为等待状态或睡眠状态。当进程在执行过程中遇到I/O操作或其他需要等待的事件时，它会主动或被动地进入阻塞状态。此时，进程放弃CPU使用权，等待相应的事件发生，如I/O操作完成、信号量变为可用等。阻塞状态下的进程不参与CPU调度，直到阻塞原因解除。
僵尸状态（Zombie）：当一个子进程结束执行但其父进程尚未对其进行善后处理（如调用 wait() 或 waitpid() 函数）时，子进程会进入僵尸状态。僵尸进程仍然占用一部分系统资源，如进程表中的一个条目，但不再占用CPU时间，也不会执行任何指令。
终止状态（Terminated）：进程执行完毕或因异常而终止后，会进入终止状态。在终止状态下，进程实际上已经停止运行，但其状态信息仍保留在系统中，直到父进程清理这些信息（通过调用 wait() 或 waitpid()）。清理后，进程完全消失，释放所有资源。

进程状态切换

进程创建后，进程进入就绪态，当CPU调度到此进程时进入运行态，当时间片用完时，此进程会进入就绪态，如果此进程正在执行一些IO操作(阻塞操作)会进入阻塞态，完成IO操作（阻塞结束）后又可进入就绪态，等待CPU的调度，当进程运行结束即进入结束态。

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C语言中进程函数

创建进程fork

pid_t fork(void);
功能：创建子进程
返回值：
    成功：在父进程中：返回子进程的进程号 >0
         在子进程中：返回值为0
    失败：-1并设置errno

资源与状态的继承与分离：

子进程几乎完全复制了父进程的执行上下文，包括代码段、数据段、栈段、文件描述符等，但它们拥有独立的进程ID（PID）和父进程ID（PPID）。这意味着子进程继承了父进程的运行环境，但二者在系统层面是完全独立的实体。

独立的地址空间与数据独立性：

尽管子进程继承了父进程的内存映像，但它拥有自己独立的地址空间。因此，对全局变量、静态变量的修改在各自进程中是独立的，互不影响。这种隔离性确保了进程间的数据安全。

孤儿与僵尸进程的处理：

若父进程在子进程之前终止，子进程将被系统中的初始化进程（init）收养，成为孤儿进程。孤儿进程会继续执行，直到自然结束或被其他进程显式终止。
当子进程结束，但父进程未能及时回收其资源时，子进程会变成僵尸进程。僵尸进程虽已结束，但仍占用系统资源，直到父进程通过 wait() 或 waitpid() 系统调用来回收为止。应避免产生僵尸进程，以维持系统资源的高效利用。

文件描述符的共享与独立操作：

子进程继承了父进程打开的文件描述符，这意味着同一文件在父进程和子进程中可通过相同的描述符访问。尽管如此，文件操作（如读写位置）在各自的进程中是独立的，不会互相干扰。

fork() 调用总结

执行流程与返回值：

fork() 调用在父进程中返回子进程的PID，在子进程中返回0。若返回负数，则表示创建子进程失败。
fork() 调用仅执行一次，但它的效果是使得代码在父进程和子进程中分别执行一次，形成两个独立的执行流。

资源复制与独立执行：

fork() 创建子进程时，子进程获得了父进程的资源副本，包括代码段、数据段和栈段，但拥有独立的地址空间和资源管理。
父子进程在 fork() 后的代码段是独立执行的，即使它们执行相同的指令序列，也不会相互影响。

注意事项

在使用 fork() 创建子进程时，应注意以下几点：

资源管理：确保父进程和子进程妥善管理共享资源，如文件描述符和信号量，以避免资源泄露或竞争条件。
进程清理：父进程应负责回收子进程的资源，避免产生僵尸进程，保持系统资源的健康状态。
信号处理：考虑进程间的信号传递机制，以实现进程间的协调和控制，特别是在异常处理和进程终止时。

回收进程wait waitpid

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);// 函数原型
pid_t wait(int *status);
功能：回收子进程资源(阻塞)
参数：status：子进程退出状态，不接受子进程状态设为NULL
返回值：成功：回收的子进程的进程号
        失败：-1

参数说明

pid：用于指定要等待的子进程的 PID（进程ID）或一组进程的选择标准：

>0：等待特定 PID 的子进程。
-1：等待任意一个子进程，这是最常见的用法。
=0：等待与调用进程具有相同进程组 ID 的任意子进程。
<-1：等待与 pid 绝对值对应的进程组 ID 相同的任意子进程。

status：指向一个整型变量的指针，用于存储子进程的退出状态。如果子进程正常结束，status 中包含的值可以被 WEXITSTATUS() 宏解析得到子进程的退出码；如果是信号导致子进程终止，status 中的值可以被 WTERMSIG() 宏解析得到终止信号。
options：指定 waitpid() 的行为模式：

0：默认阻塞模式，父进程将暂停执行，直到子进程结束。
WNOHANG：非阻塞模式，立即返回，无论是否有子进程结束。如果无子进程结束，返回 0；否则返回结束子进程的 PID。

返回值

正常情况：返回结束子进程的 PID。
非阻塞模式且没有子进程结束：返回 0。
出错：返回 -1，并设置 errno 变量以指示错误原因。

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退出进程exit _exit

void exit(int status);
功能：结束进程，刷新缓存
参数：退出的状态
不返回。
void _exit(int status);
功能：结束进程，不刷新缓存
参数：status是一个整型的参数，可以利用这个参数传递进程结束时的状态。
    通常0表示正常结束；
其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束

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获取进程号 getpid getppid

pid_t getpid(void);
功能：获取当前进程的进程号
pid_t getppid(void);
功能：获取当前进程的父进程号

编辑

return：关键字，在子函数中返回到函数调用的位置，并不结束进程（函数的退出）

exit ：函数，不管在子函数还是主函数都会结束进程（进程的退出）

总结：

在计算中进程是无处不在的，更好的了解进程也可以让我们更好的了解计算机以及编程的原理，文章至此结束，希望可以帮到大家。万分感谢看到这里。

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