Linux 进程的基本概念及描述

目录

0.前言

1. 什么是进程

1.1 进程的定义与特性

1.2 进程与线程的区别

2.描述进程

2.1 PCB (进程控制块)

2.2 task_struct

3.查看进程

3.1 查看进程信息

3.1.1 /proc 文件系统

3.1.2 ps 命令

3.1.2 top 和 htop 命令

3.2 获取进程标识符

3.2.1使用命令获取PID

3.2.2 使用C语言程序获取PID

4. 通过系统调用创建进程

4.1 认识 fork

4.2 代码实践

5.小结

（图像由AI生成）

0.前言

在上一篇博客中，我们介绍了冯诺依曼体系结构与操作系统的基本概念，深入探讨了计算机是如何执行程序的。本篇博客将继续这一话题，聚焦于操作系统的核心概念之一——进程。进程是操作系统管理程序运行的基本单位，理解进程的概念有助于深入掌握操作系统的运行机制。

1. 什么是进程

进程是操作系统中最基本的执行单位。它指的是一个已经加载到内存并正在执行的程序实例。进程不仅仅是程序本身，还包括程序在运行过程中所需的各种资源，如CPU时间、内存空间、文件描述符等。

1.1 进程的定义与特性

从定义上来说，进程是一个正在执行的程序的实例。每个程序在运行时至少会生成一个进程，不论是用户启动的应用程序，还是操作系统后台运行的服务。进程具有以下几个显著特性：

动态性：程序是静态的文件，而进程是程序在系统中运行时的动态实体。操作系统管理进程的调度、暂停和终止，保证系统中多个进程能够并发执行。
独立性：每个进程都有独立的地址空间，进程之间无法直接访问彼此的内存。这样的独立性保证了进程的稳定运行，避免其他进程的错误或崩溃影响当前进程。
并发性：操作系统可以让多个进程“同时”运行，这种并发性是通过时间分片（时间片轮转）等调度策略实现的，实际上是在CPU快速切换执行不同进程。

1.2 进程与线程的区别

在理解进程的概念时，容易与线程混淆。进程和线程虽然都涉及程序的执行，但它们有显著的区别：

资源分配：进程是系统资源分配的基本单位，每个进程拥有独立的内存空间和系统资源。而线程是进程中的执行单元，多个线程共享同一个进程的资源。
调度单位：进程是操作系统调度的基本单位，系统通过调度进程来实现多任务处理。线程则是进程内部的调度单位，线程的调度发生在进程内部。
通信方式：由于进程之间拥有独立的地址空间，它们之间的通信通常需要通过复杂的机制如进程间通信（IPC），如管道、共享内存等。而线程共享进程的地址空间，线程之间的通信较为简单。

2.描述进程

在操作系统中，进程的信息被存储在一个数据结构（即PCB，进程控制块）中。这个数据结构包含了进程运行所需的所有关键信息，用以管理和调度进程。在Linux系统中，这个数据结构被称为task_struct。通过task_struct，内核能够全面掌握每个进程的状态、资源以及执行情况。

2.1 PCB (进程控制块)

进程控制块（Process Control Block，简称PCB）是操作系统用于描述和管理进程的关键数据结构。PCB包含了进程的所有属性，能够让操作系统跟踪和控制每一个进程的生命周期。在不同的操作系统中，PCB的实现略有不同。在Linux中，PCB以task_struct结构体的形式存在。

PCB的作用可以理解为进程的属性集合，每个进程在创建时，系统都会生成对应的PCB。PCB中存储的进程信息包括：

进程ID（PID）：用于唯一标识每个进程。
进程状态：当前进程的运行状态，例如运行中、阻塞中或等待中。
进程优先级：确定进程在调度中的优先顺序。
程序计数器：存储着进程下一条即将执行的指令地址。
CPU寄存器：保存进程在暂停时的上下文，以便在重新调度时能够继续运行。
内存信息：包括进程的地址空间和所占用的内存块。
I/O设备状态：与进程关联的输入输出设备信息。

2.2 `task_struct`

在Linux操作系统中，描述进程的核心数据结构是task_struct。它是一种复杂的结构体，包含了与进程相关的所有信息。每个正在运行的进程在内存中都有一个task_struct实例，操作系统通过它来跟踪和管理进程。

以下是task_struct的结构体定义的一个简化版本，它展示了主要的进程信息字段：

struct task_struct {
    volatile long state;    // 进程状态
    pid_t pid;              // 进程ID
    pid_t tgid;             // 线程组ID
    struct mm_struct *mm;   // 内存管理信息
    struct task_struct *parent; // 父进程
    struct list_head children;  // 子进程链表
    unsigned int rt_priority;   // 实时优先级
    unsigned int policy;        // 调度策略
    struct files_struct *files; // 进程打开的文件
    struct fs_struct *fs;       // 文件系统信息
    // 其他字段省略
};

task_struct结构体中的字段可以大致分为以下几类：

标识符：每个进程都有唯一的进程标识符（PID）以及线程组ID（TGID）。这些标识符用于区分进程，并用于进程之间的操作。
状态：进程的状态由字段state表示。它记录了进程当前是处于运行、就绪、阻塞、终止等状态之一。此外，进程的退出代码和退出信号等信息也存储在相关字段中。
优先级：rt_priority用于表示实时进程的优先级，而policy字段定义了进程的调度策略，如实时调度或普通调度。进程的优先级决定了它在调度中的优先程度。
程序计数器：进程即将执行的下一条指令的地址通过程序计数器保存，保证在进程调度时，能够从上次暂停的位置继续执行。
内存指针：mm字段指向内存管理结构体mm_struct，该结构体包含了与进程相关的内存信息，如程序代码段、堆栈、数据段以及与其他进程共享的内存块。
上下文数据：task_struct中的寄存器上下文保存了进程暂停时的处理器寄存器内容，确保在进程恢复时能够继续之前的计算。
I/O状态信息：files字段保存了进程当前打开的文件列表，而fs字段则包含了与进程相关的文件系统信息。这些字段提供了进程与I/O设备之间的交互信息。
记账信息：进程在运行期间的资源使用情况也会被记录，如使用的CPU时间、时钟周期等。系统可以根据这些信息对进程进行资源限制或计费。

task_struct作为Linux内核中核心的进程描述结构体，通过合理的分类和管理，使得操作系统能够高效地管理进程的生命周期和资源分配。

3.查看进程

在Linux系统中，进程是系统运行的基本单位，操作系统为每个进程分配唯一的标识符和相关的资源。Linux提供了多种方式来查看系统中正在运行的进程信息，方便用户和系统管理员进行管理和调试。

3.1 查看进程信息

Linux系统提供了几种常用的命令和方法来查看进程信息。其中，/proc虚拟文件系统是一个非常重要的机制，它动态地反映了系统中正在运行的进程和内核状态。除此之外，用户还可以使用一些常用命令，如ps、top、htop等。

`3.1.1 /proc` 文件系统

/proc目录是Linux中的一个虚拟文件系统，它实时地反映了系统中进程和内核的状态。每个正在运行的进程在/proc目录下都有一个以其进程ID（PID）命名的子目录。在这些子目录中，可以查看与该进程相关的详细信息，如内存使用、打开的文件、状态等。

例如，查看进程ID为24533的进程状态，可以通过以下命令：

cat /proc/24533/status

该命令会显示进程的状态信息，包括PID、进程状态、内存使用、父进程ID等。/proc文件系统是非常灵活且功能强大的工具，适用于查看特定进程的细节。

`3.1.2 ps` 命令

ps命令是Linux中最常用的查看进程的命令之一。它能够显示当前系统中运行的进程列表及其相关信息。以下是几个常用的ps命令用法：

ps -e：列出系统中的所有进程。
ps -aux：详细列出所有进程的信息，包括用户、CPU和内存占用、进程ID等。
ps -ef：显示进程的完整格式，包括父进程和子进程的关系。

例如：

ps -aux

这条命令会输出系统中所有进程的详细信息，如进程ID、进程状态、用户、CPU占用率等。

`3.1.2 top` 和 `htop` 命令

top是另一个非常有用的实时进程监控工具，它能够动态地显示系统中正在运行的进程，并按CPU、内存占用等进行排序。htop是top的增强版，提供了更友好的图形界面，用户可以更方便地查看和管理进程。

top

该命令会实时显示当前系统的进程和资源使用情况，用户可以根据CPU使用率、内存占用等来进行排序和管理。

3.2 获取进程标识符

在Linux系统中，进程标识符（PID）是每个进程的唯一标识，用来区分系统中的各个进程。可以通过多种方式获取进程的PID，包括使用命令和编写程序代码。

3.2.1使用命令获取PID

pidof：获取特定程序的进程ID。例如，获取bash进程的PID：
```
pidof bash
```
该命令会返回bash进程的PID。
ps：通过ps命令结合grep来查找特定进程的PID。例如：
```
ps -aux | grep bash
```
这条命令会返回与bash相关的所有进程及其PID。

3.2.2 使用C语言程序获取PID

在C语言中，可以使用getpid()系统调用获取当前进程的PID，同时可以使用getppid()获取父进程的PID。以下是一个简单的C语言代码示例，展示如何获取并打印进程的PID和父进程的PID：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid, ppid;

    // 获取当前进程的PID
    pid = getpid();
    
    // 获取父进程的PID
    ppid = getppid();
    
    // 打印PID和父进程的PID
    printf("当前进程的PID: %d\n", pid);
    printf("父进程的PID: %d\n", ppid);
    
    return 0;
}

编译并运行这段代码后，输出如下：

通过这段代码，可以轻松获取并打印进程的唯一标识符和父进程的标识符。在Linux编程中，了解进程的PID是进行进程间通信、管理进程生命周期的重要步骤。

4. 通过系统调用创建进程

在Linux操作系统中，进程的创建通常是通过系统调用来完成的。系统调用提供了程序与内核交互的接口，fork() 是最常用的创建进程的系统调用之一。

4.1 认识 `fork`

fork() 系统调用用于创建一个新进程，称为子进程。调用fork()时，系统会复制当前进程，生成一个几乎完全相同的子进程。子进程继承了父进程的所有资源（如文件描述符、内存映射等），但它有自己独立的进程ID（PID）。

父进程与子进程的区别：fork()的返回值在父进程和子进程中不同。在父进程中，fork()返回子进程的PID；在子进程中，fork()返回0。这使得父进程和子进程可以根据返回值执行不同的代码。
多进程并发：通过fork()创建子进程后，父子进程会并发执行。操作系统通过调度来分配CPU时间片，确保多个进程能够同时运行。

4.2 代码实践

以下是一个简单的C语言示例，通过fork()创建子进程，并在父子进程中分别输出不同的信息：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid;

    // 调用fork创建新进程
    pid = fork();

    if (pid < 0) {
        // fork失败
        fprintf(stderr, "fork 失败\n");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程执行
        printf("这是子进程，进程ID: %d\n", getpid());
    } else {
        // 父进程执行
        printf("这是父进程，进程ID: %d，子进程ID: %d\n", getpid(), pid);
    }

    return 0;
}

输出示例：