【进程与线程】程序和进程在内存中的表现

在计算机系统中，程序和进程是两个密切相关但又有本质区别的概念，尤其在内存中的表现上有显著不同：
程序与进程
在这张图中可以直观地看出程序和进程在内存中的结构区别。

基本定义

程序

程序是一个 静态实体，表示一组写好的指令和数据的集合，一般存储在磁盘上（如 .exe、.out 文件）。程序本身不占用运行时的系统资源（如 CPU、内存等），它是一个静态文件，它仅包含代码和数据的固定内容，表示完成某种任务的一组指令集合。

程序的特性：
- 静态性：程序只是存储在磁盘中的文件，不会动态变化（程序是静态的文件，不占用运行时资源）。
- 无运行环境：程序没有运行时需要的栈、堆、寄存器等概念（程序没有运行时动态分配的内存（如堆和栈））。
- 程序本身不包含对操作系统资源（如 CPU、内存）的使用能力。

进程

进程是程序运行后的动态实例，是操作系统分配资源的基本单元；进程是程序的一次执行实例，是一个动态实体。
进程是程序运行后的产物，程序一旦被加载到内存并运行，就变成了进程。
进程需要操作系统的支持，每个进程都有独立的虚拟地址空间，并占用实际的运行时资源（如内存、CPU、文件描述符等）。

程序是静态代码，进程是动态运行的程序实例。 一个程序可以对应多个进程（如多次运行同一个程序）。

程序和进程在内存中的区别

程序的内存布局：一个程序在磁盘上是静态的，存储的内容包括：

代码段：
- 包含程序的指令集（如函数实现、逻辑代码）。
- 代码段是只读的，防止运行时修改。
- 多个进程可以共享同一份代码段，节省内存资源。
数据段：
- 包含程序中的全局变量和静态变量的初始值。
- 数据段是可写的，但内容固定，程序编译时就固定下来，程序静态存在时不会动态变化。

进程的内存布局：
当程序运行后，进程会被加载到内存中，成为一个动态实体。操作系统为每个进程分配一个独立的虚拟地址空间，通常包括以下部分（如图所示）：

代码段：
- 与程序中的代码段一致，存储程序的指令集（通常是只读的）。
- 多个运行同一程序的进程可以共享该段，节省内存。
数据段：
- 存储进程运行时的全局变量和静态变量。
- 每个进程的这部分独立存在，不同进程之间互不影响。
堆区：
- 堆是运行时动态分配的内存区域，通过 malloc 或 new 等函数分配。
- 堆区是进程运行时动态分配的，大小不固定。
- 堆的大小可以动态增长或缩减，主要用于存储动态对象或数据。
栈区：
- 栈用于存储函数调用的局部变量、返回地址以及函数调用的上下文信息。
- 栈的大小在运行时动态变化（通常从高地址向低地址增长）。
内核空间：
- 进程虚拟地址空间的高地址部分通常保留给操作系统内核使用（如图中 1GB：内核空间位于进程的虚拟地址空间的高地址部分）。
- 用于存储操作系统内核的数据和代码，用户进程无法直接访问内核空间，必须通过系统调用与内核交互。

图示中已经表明了二者的关键区别：

程序：
- 静态结构，存储在磁盘中。
- 没有动态分配的堆和栈。
- 包含固定的代码段和数据段。
- 程序是进程的模板，只有加载到内存并运行后，程序才变成进程。
进程：
- 动态结构，在内存中运行。
- 包含动态分配的堆和栈，用于运行时的内存管理。
- 进程的每一部分（如堆、栈、数据段）都是独立的，其他进程访问不到。
- 有操作系统分配的虚拟地址空间（如 4GB），包括用户空间和内核空间。

内存分布的对比

内存区域	程序（静态）	进程（动态）
代码段	包含程序的指令集，内容固定。	包含程序的指令集，可能被多个进程共享。
数据段	包含全局变量和静态变量的初始值，固定。	包含全局变量和静态变量的实际值，独立分配。
堆区	无堆区。	动态分配的内存区域，大小运行时变化。
栈区	无栈区。	存储局部变量、函数调用信息，动态变化。
内核空间	无操作系统内核相关内容。	包含与操作系统交互的内核数据。

特性区别：

特性	程序	进程
静态/动态	静态实体，存储在磁盘中	动态实体，是程序在运行时的实例
文件类型	可执行文件（如 .exe、.out）	运行时的实例，操作系统分配 ID（PID）标识
内存结构	只包含代码段和数据段	包含代码段、数据段、堆、栈和内核空间
资源使用	不占用系统资源	占用内存、CPU、文件描述符等运行时资源
并发性	程序本身不可并发	一个程序可以对应多个进程（不同的运行实例）
生命周期	静态存储在磁盘上，永久存在	动态创建和销毁，随运行状态变化
共享性	所有进程共享同一个程序文件	每个进程有独立的虚拟地址空间

实际代码：假设有一个程序 example.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int global_var = 10; // 全局变量

int main() {
    int local_var = 20; // 局部变量
    int *dynamic_var = malloc(sizeof(int)); // 动态分配的变量
    *dynamic_var = 30;

    printf("global_var: %d\n", global_var);
    printf("local_var: %d\n", local_var);
    printf("dynamic_var: %d\n", *dynamic_var);

    free(dynamic_var);
    return 0;
}