嵌入式之程序与进程

一、形象比喻：程序是菜谱，进程是做菜过程

程序就像是一本菜谱，而进程则是按照菜谱实际做菜的过程。

（一）程序：静态的菜谱

1. 存储位置与形态菜谱通常被印刷在纸上或保存在电子设备里，就像程序文件存储在电脑的硬盘（或其他存储设备）中。它们都是静态的、不会自己运行的 “死物”。比如你下载的 Chrome 浏览器安装包（.deb 或.rpm 文件），或者用 C 语言编写并编译好的可执行文件（如 a.out），这些都是程序，静静地躺在磁盘上等待被调用。

1. 可复用性一本菜谱可以被无数次使用，不同的人可以用同一本菜谱做出菜来。类似地，同一个程序可以被多次启动，生成多个不同的进程。比如你同时打开多个 Chrome 浏览器窗口，每个窗口都是 Chrome 程序的一个进程实例。

1. 不占用运行资源菜谱本身不会占用厨房的灶台、锅碗瓢盆等资源，只有当你开始做菜时才会用到这些工具。程序也是如此，未运行时不占用内存、CPU 等系统资源，仅仅是磁盘上的一堆二进制数据。

（二）进程：动态的做菜过程

1. 从静止到运行当你拿起菜谱开始做菜时，整个烹饪过程就启动了 —— 你需要打开燃气灶、准备食材、控制火候，这一系列动作构成了一个动态的 “进程”。对应到计算机中，进程就是程序被操作系统加载到内存并执行的过程。例如，当你双击 Chrome 图标时，操作系统会将 Chrome 程序的代码和数据从硬盘读取到内存，并为其分配 CPU 时间、文件句柄等资源，这时一个 Chrome 进程就诞生了。

1. 生命周期做菜的过程有开始和结束：从你打开第一个食材包装到最后一道菜装盘上桌，这个过程是 “存活” 的；一旦结束，厨房会回归平静，灶台、锅碗等资源也会被释放。进程同样有明确的生命周期：从创建（如通过fork()系统调用）、运行（占用 CPU 执行指令）、暂停（等待用户输入或资源）到终止（正常退出或强制杀死）。你可以通过ps或top命令查看系统中正在运行的进程，就像观察厨房里正在进行的烹饪任务。

1. 资源占用与独立性每做一道菜都需要独立使用部分厨房资源：比如炖排骨时需要占用高压锅，炒青菜时需要占用炒锅。进程也是如此，每个进程都有自己独立的虚拟内存空间、文件描述符表、进程控制块（PCB）等资源，彼此之间互不干扰（除非通过进程间通信机制主动交互）。如果某个进程出错（比如炒菜时锅糊了），通常不会影响其他进程（其他菜还能正常做），这体现了进程的独立性和隔离性。

（三）关键区别总结

维度	程序（菜谱）	进程（做菜过程）
本质	静态的可执行文件（磁盘存储）	动态的运行实例（内存中活动）
数量关系	一个程序可对应多个进程	一个进程只能对应一个程序
资源占用	不占用内存、CPU 等运行资源	占用内存、CPU、文件句柄等资源
生命周期	永久存在（除非手动删除）	有明确的起止时间（创建 - 运行 - 终止）
独立性	无（程序本身不涉及资源隔离）	强（每个进程有独立的资源空间）

通过这个比喻，你可以简单记住：程序是 “菜谱”，是静态的 “原料”；进程是 “做菜”，是动态的 “行动”。接下来，我们将从专业角度深入解析程序与进程的技术细节，帮助你建立更系统的认知。

二、专业解析：程序与进程的技术本质

（一）程序的本质：从源代码到可执行文件

1. 程序的定义与组成

程序（Program）是一组预定义的、有序的指令集合，用于完成特定任务。在 Linux 系统中，程序通常以可执行文件的形式存在，其本质是经过编译、链接后的二进制代码，包含以下关键部分：

• 代码段（Text Segment）：存储程序的可执行指令（机器码），通常为只读，防止运行时被意外修改。

• 数据段（Data Segment）：存储已初始化的全局变量和静态变量（如int a=5;）。

• BSS 段（Block Started by Symbol）：存储未初始化的全局变量和静态变量，运行前由操作系统自动清零。

• 文件头（如 ELF 头）：包含程序的元数据，如入口地址、段表信息、依赖的共享库等，供操作系统加载程序时解析。

2. 程序的编译与链接过程

以 C 语言程序为例，从源代码到可执行程序需经过以下步骤：

// 示例代码：hello.c

#include <stdio.h>

int main() {

printf("Hello, Linux!\n");

return 0;

}

• 预处理（Preprocessing）：gcc -E hello.c -o hello.i处理#include、#define等预处理指令，展开头文件，生成预处理后的文本文件hello.i。

• 编译（Compilation）：gcc -S hello.i -o hello.s将预处理后的代码编译为汇编语言hello.s。

• 汇编（Assembly）：gcc -c hello.s -o hello.o将汇编语言转换为目标二进制文件hello.o（包含机器码，但未解决外部依赖）。

• 链接（Linking）：gcc hello.o -o hello解析目标文件中的符号引用（如printf函数来自libc.so共享库），生成可执行文件hello。

3. 程序的存储与执行条件

• 存储介质：程序通常存储在硬盘、U 盘等非易失性存储设备中，可长期保存。

• 执行前提：程序必须被操作系统加载到内存（RAM）中才能运行。这一过程由 ** 加载器（Loader）** 完成，加载器会根据程序的 ELF 头信息，将代码段、数据段等映射到进程的虚拟地址空间，并建立页表映射（涉及虚拟内存管理）。

（二）进程的本质：操作系统管理资源的基本单位

1. 进程的定义与核心特征

进程（Process）是程序的一次动态执行实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。从技术层面看，进程包含以下核心要素：

• 进程控制块（Process Control Block, PCB）：由操作系统维护的结构体，存储进程的元数据，包括：

• • 进程 ID（PID）：唯一标识进程的整数（如ps -aux输出中的 PID 列）。

• • 状态（State）：运行（R）、就绪（R）、阻塞（D/S）、僵尸（Z）等。

• • 优先级（Priority）：决定 CPU 调度顺序（如nice值调整优先级）。

• • 资源指针：指向内存空间、打开的文件描述符、信号处理函数等。

• • 上下文（Context）：CPU 寄存器值、程序计数器（PC）等，用于进程切换时恢复执行状态。

• 虚拟内存空间：每个进程拥有独立的 4GB 虚拟地址空间（32 位系统），分为：

• • 用户空间（0~3GB）：包含代码段、数据段、堆（Heap，动态分配内存）、栈（Stack，函数调用栈）等。

• • 内核空间（3~4GB）：存储内核代码和数据，所有进程共享，用户态程序需通过系统调用进入内核态访问。

• 执行上下文：进程运行时的环境，包括当前执行的指令位置、变量值、打开的文件等，体现了进程的 “动态性”。

2. 进程的生命周期与状态转换

进程从创建到终止经历以下阶段，状态转换图如下：

创建（New） → 就绪（Ready） → 运行（Running） ↘

↗ 阻塞（Blocked） ←--------- 等待事件（如I/O完成）

↘ 终止（Terminated） ← 正常退出或强制杀死

• 就绪态：进程已具备运行条件，但因 CPU 资源不足而等待调度。

• 运行态：进程正在占用 CPU 执行指令，同一时刻单 CPU 系统中只有一个进程处于运行态。

• 阻塞态：进程因等待某个事件（如用户输入、文件读写、信号量）而暂停执行，此时不占用 CPU 资源。

• 终止态：进程执行完毕或被强制终止（如kill -9 PID），内核释放其资源，但 PCB 可能暂时保留（僵尸进程状态），等待父进程读取退出状态。

3. 进程的创建与控制

在 Linux 中，进程通过fork()系统调用创建：

#include <unistd.h>

pid_t fork(void); // 返回值：子进程中为0，父进程中为子进程PID，出错为-1

• 写时复制（Copy-on-Write, COW）：fork()创建子进程时，并不会立即复制父进程的全部内存，而是让父子进程共享相同的物理内存页，只有当其中一方尝试修改内存时，才会触发内核分配新的物理页。这一机制提高了进程创建效率，减少内存占用。

• exec 系列函数：子进程创建后，通常通过execve()等函数加载并执行新的程序（如execl("/bin/ls", "ls", NULL)），用新程序的内容覆盖当前进程的地址空间，实现 “进程替换”。

（三）程序与进程的核心区别与联系

1. 核心区别对比

特性	程序	进程
存在形式	静态文件（磁盘）	动态实体（内存 + CPU + 资源）
数量关系	单例（一个程序文件）	多例（一个程序可生成多个进程）
资源占用	无（仅磁盘空间）	有（内存、CPU 时间、文件句柄等）
并发性	无（程序本身不运行）	有（多个进程可同时运行或并发调度）
独立性	无（程序文件可被共享读取）	强（进程间默认资源隔离）
状态	永久不变（除非修改文件）	动态变化（运行 / 阻塞 / 终止等）

2. 内在联系

• 进程是程序的运行载体：没有程序，进程就没有执行的内容；程序必须通过进程才能 “活起来”。

• 多进程共享程序代码：同一程序的多个进程实例共享磁盘上的程序文件（代码段为只读），但各自拥有独立的数据段、堆、栈等内存空间。例如，多个vi编辑器进程都基于同一vi程序文件，但每个进程编辑的文件内容不同。

• 程序版本影响进程行为：更新程序文件后，新启动的进程会使用新版本代码，而正在运行的旧进程不受影响（除非重启）。

（四）Linux 进程管理实战

1. 查看进程状态

• ps命令：显示当前进程快照

ps -aux # 显示所有用户的进程，以BSD格式输出

ps -eLf # 显示所有进程的详细信息，包括线程（LWP列）

关键列说明：

• • USER：进程所有者

• • PID：进程 ID

• • %CPU：CPU 占用率

• • %MEM：内存占用率

• • VSZ：虚拟内存大小（KB）

• • RSS：常驻内存大小（KB）

• • TTY：终端设备（?表示无终端）

• • STAT：进程状态（如R运行，S睡眠，Z僵尸）

• • COMMAND：启动进程的命令

• top命令：动态监控进程（类似 Windows 任务管理器）

top -d 2 # 每2秒刷新一次

交互操作：

• • P：按 CPU 占用率排序

• • M：按内存占用率排序

• • K：输入 PID 杀死进程

2. 管理进程生命周期

• 创建进程：直接运行程序（如./hello）或通过脚本启动（如sh script.sh）。

• 终止进程：

kill PID # 发送SIGTERM信号（默认，允许进程优雅退出）

kill -9 PID # 发送SIGKILL信号（强制终止，可能导致数据丢失）

• 暂停与恢复进程：

kill -STOP PID # 暂停进程（状态变为T）

kill -CONT PID # 恢复进程运行

3. 分析进程依赖与资源占用

• lsof命令：列出打开的文件描述符

lsof -p PID # 查看指定进程打开的文件、网络连接等

• strace命令：跟踪进程的系统调用

strace -p PID # 监控进程正在执行的系统调用及参数

• pmap命令：查看进程的内存映射

pmap PID # 显示进程各内存段的地址、大小、权限等信息

（五）深入理解：进程与线程的区别

在现代操作系统中，为了提高并发效率，引入了 ** 线程（Thread）** 概念，作为进程内的执行单元。线程与进程的区别如下：

特性	进程	线程
资源分配单位	是（拥有独立的虚拟内存、文件句柄等）	否（共享所属进程的资源）
调度单位	是（传统操作系统）	是（现代操作系统以线程为调度单位）
创建开销	高（需分配独立内存、复制 PCB 等）	低（仅需创建线程控制块 TCB）
并发性	进程间并发	线程间并发（同一进程内的线程可并行执行）
数据隔离	强（进程间默认不共享数据）	弱（同一进程内的线程共享全局变量、堆等