Linux--进程（进程概念、PCB、进程状态、孤儿进程、进程优先级、进程切换、进程调度）

最新推荐文章于 2025-03-29 14:17:23 发布

原创

最新推荐文章于 2025-03-29 14:17:23 发布

· 1.1k 阅读

19 ·

版权

文章标签：

#linux #运维 #服务器 #算法 #c++ #数据结构 #哈希算法

一、进程概念和PCB

1.什么是进程？

进程是操作系统中的一个核心概念，指的是正在执行的程序实例。它不仅包含程序的代码，还涉及程序运行时的状态和资源。

程序与进程的区别：

程序：静态的指令集合；比如：通过语言编写的程序。
进程：程序的一次动态执行，包括代码、数据和状态（将磁盘的代码加载到内存中，运行的程序称之为进程）。

进程 = 内核数据结构（例如：PCB） + 程序的代码和数据

运行程序本质是系统启动一个进程：

执行完就退出 -- 例如：ls，pwd等指令
一直不退，直到用户退出 -- 常驻进程（例如：杀毒软件）

2.进程的描述方式--PCB

操作系统的管理核心方式为“先描述再组织”，对进程管理时，需要先对进程信息及属性进行描述。

PCB：进程控制块（process control block），是一种数据结构，用于存放进程信息，可以理解为进程属性的集合。
task_struct：PCB的一种，在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct；是Linux内核的一种数据结构，它存在于RAM（内存）里并包含进程的信息（属于内存级的数据对象）。

task_struct的内容：

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。
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

对进程进行组织：
所有运行在系统里的进程都以task_struct链表（双链表）的形式存在内核里，对进程的管理就变为了对链表的增删查改。

查看进程信息：
进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

/proc 是 Linux 系统中一个特殊的虚拟文件系统，它提供了内核和进程信息的接口。/proc 目录中的文件和目录并不是真实的磁盘文件（并不是磁盘级的文件），而是由内核动态生成的，用于反映系统状态和进程信息。 进程的信息以文件的形式呈现，/proc目录内分别以每个进程的PID为名创建一个目录（实时创建：进程启动时，同时创建对应目录），一个目录代表一个进程，目录内存放着一个进程的信息；当进程结束时，对应的目录也会被自动删除掉了。
查看PID为1的进程信息：

ps命令可以查看进程的相关属性，ps的底层就是通过/proc进行文本分析来实现的

指令选项 ps aux ps ajx

显示内容 显示所有用户的进程详细信息。显示进程的作业信息（PGID、SID 等）。

常用场景 查看进程的资源使用情况（CPU、内存）。查看进程的父子关系、进程组和会话信息。

输出字段 包含 USER, %CPU, %MEM 等。包含 PPID, PGID, SID 等。

指令选项	`ps aux`	`ps ajx`
显示内容	显示所有用户的进程详细信息。	显示进程的作业信息（PGID、SID 等）。
常用场景	查看进程的资源使用情况（CPU、内存）。	查看进程的父子关系、进程组和会话信息。
输出字段	包含 `USER`, `%CPU`, `%MEM` 等。	包含 `PPID`, `PGID`, `SID` 等。

进程信息：

exe：启动该进程的程序在磁盘中的位置

在该进程没有结束时在磁盘中删除掉该程序，进程任然能进行（因为程序会加载到内存中，磁盘删除暂时不影响）
cwd：cwd（current work dir：当前工作目录）-> 例如：fopen时没有该文件就会在当前工作路径下创建该文件；当运行程序启动一个进程时，该进程的cwd会记录在开始运行该程序时的磁盘位置作为当前工作路径；

可以通过系统调用 int chdir(const char* path) 更改进程的当前工作路径
```
//更改当前工作路径
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  chdir("/");
  while(1)
  {
     cout << "PID:" << getpid() << endl;
     cout << "PPID:" << getppid() << endl << endl;
     sleep(1);
  }

  return 0;
}
```

/proc和task_struct的关系：
task_struct 是 Linux 内核用于表示进程或线程的核心数据结构，存储进程各类关键信息。/proc 是虚拟文件系统，将 task_struct 中的信息以文件和目录形式映射到用户空间，每个进程对应 /proc 下以其 PID 命名的目录，目录里文件包含该进程 task_struct 部分信息。它为用户提供查看和监控进程状态的便捷方式，是内核与用户空间交互的桥梁，信息随 task_struct 动态更新。

二、task_struct -- 进程标识符PID和PPID

PID：描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
系统对PID的维护：累加增长且连续，所以同一个程序在不同时间运行时进程PID不同
PPID：表示当前进程的父进程的PID。（在Linux系统中，启动之后，新创建的任何进程都是由自己的父进程创建的）

通过系统调用获取当前进程标识符：

进程id（PID）：getpid()
父进程id（PPID）：getppid()
头文件：<unistd.h>
返回值类型：pid_t(本质是整型类型的封装)

//循环打印当前进程的PID和PPID
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  while(1)
  {
    pid_t pid = getpid();
    pid_t ppid = getppid();

    cout << "PID:" << getpid() << endl;
    cout << "PPID:" << getppid() << endl << endl;
    sleep(1);
  }

  return 0;
}

命令行中，执行命令/执行程序，本质是bash作为父进程，创建的子进程，由子进程执行程序（bash--命令行解释器shell的一种，每一次登录，都会创建一个bash进程）

三、通过系统调用fork()创建进程

头文件：<unistd.h>
原型：pid_t fork(void)
返回值：当前进程作为父进程创建一个子进程，如果创建成功fork返回给父进程新创建子进程的PID，返回给子进程0；如果创建失败fork返回给父进程-1。所以根据父子进程的返回值不同可以进行分流，由返回值判断是父进程还是子进程并执行不同的操作。
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）；进程具有很强的独立性，多个进程之间，运行时互不影响，即便是父子进程，代码是只读的，数据是私有的。

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  pid_t pid = fork();
  if(pid == 0) //子进程
  {
    while(1)
    {
        cout << "子进程PID：" << getpid() << ' ' << "PPID：" << getppid() << endl;
        sleep(1);
    }
  }
  else if(pid > 0) //父进程
  {
    while(1)
    {
        cout << "父进程PID：" << getpid() << ' ' << "PPID：" << getppi