一文带你理解进程

ruan114514

已于 2025-07-29 10:47:01 修改

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文章标签：服务器 linux 运维操作系统

于 2025-07-29 10:45:56 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ruan114514/article/details/149737415

进程的定义

把一个静态的程序通过操作系统在内存中让cpu执行起来,形成了一个动态的执行过程,这个执行过程成为进程

程序（Program）： 静态的实体。它是一组存储在磁盘或其他存储介质上的指令和数据的集合（例如一个 .exe 文件或一个 Python 脚本文件）。
进程（Process）： 动态的实体。当一个程序被加载到内存中并开始执行时，它就变成了一个进程。 进程是程序的一次执行实例，它拥有运行程序所需的所有资源（内存空间、CPU时间、打开的文件、网络连接、安全属性等）同一个程序可以同时运行多次，产生多个独立的进程（例如，你可以同时打开多个记事本窗口）。

两者联系

两者区别

1.进程在执行过程中,要完成默写特定的功能,有些功能只有操作系统才能提供,比如读取文件,进程向操作系统发出请求,操作系统代表进程在内核执行,这个时候进程处于核心态,所以说进程有核心态,用户态

2.执行一段程序,一个进程的形式在内存中运行,而程序保存在硬盘中

3.操作系统为了管理这个进程，会引入额外的结构和状态变化,这个后面会说

进程的组成

程序的代码
- 含义：这是进程执行的指令序列或源代码，存储在内存中。它定义了程序要执行的操作，例如计算、逻辑判断等。
- 作用：作为进程的核心，代码决定了进程的行为和功能。没有代码，进程无法运行。
- 示例：在一个文本编辑器的进程中，代码可能包括打开文件、编辑文本和保存文件的指令。
程序处理的数据
- 含义：这是进程操作的数据对象，包括输入数据、输出数据、中间计算结果等。数据可以是变量、数组、结构体等。
- 作用：数据是代码处理的对象，进程通过读取和修改数据来实现功能。它反映了程序的当前状态。
- 示例：在一个计算器进程中，数据可能包括用户输入的数字和运算符，以及计算结果。
程序计数器中的值，指示下一条将运行的指令
- 含义：程序计数器（Program Counter, PC）是一个特殊的CPU寄存器，保存了下一条要执行的指令在内存中的地址。
- 作用：它控制进程的执行流程，确保指令按顺序运行或在跳转时（如函数调用）正确切换。这使进程知道从哪里继续执行。
- 示例：在一个游戏进程中，程序计数器可能指向当前帧的渲染指令，下一条指令可能是处理用户输入。
一组通用的寄存器的当前值，堆、栈
- 含义：
  - 通用寄存器：CPU中的临时存储单元，用于保存当前计算的数据或地址（如累加器、基址寄存器）。
  - 堆（Heap）：动态分配的内存区域，用于存储程序运行时创建的对象（如通过malloc或new分配的内存）。
  - 栈（Stack）：后进先出（LIFO）的内存区域，用于管理函数调用、局部变量和返回地址。
- 作用：寄存器和内存区域共同维护进程的执行上下文。寄存器提供快速访问，堆支持动态内存管理，栈处理函数嵌套和局部数据。
- 示例：在一个Web浏览器进程中，寄存器可能存储当前标签页的状态，堆用于存储加载的网页内容，栈用于处理JavaScript函数的调用链。
一组系统资源（如打开的文件）
- 含义：这是进程使用的操作系统管理的资源，包括文件句柄、网络连接、设备接口等（如打开的文件、套接字或打印机）。
- 作用：这些资源使进程能与外部环境交互，例如读写文件或网络通信。操作系统负责分配和回收这些资源，确保进程安全运行。
- 示例：在一个音乐播放器进程中，系统资源可能包括打开的音频文件、网络流媒体连接或音量控制设备。

进程的特点

一、动态性（Dynamic Nature）

定义：进程是程序的一次动态执行过程，具有生命周期（创建→运行→终止）。
核心表现：

创建与销毁：进程由操作系统动态创建（如系统调用 fork()），分配资源（内存、文件句柄等），并在任务结束或异常时被终止回收资源。
状态变化：进程在执行过程中可能经历多种状态转换（就绪、运行、阻塞等），例如等待I/O操作时从运行态转为阻塞态。
示意图关联：左侧“进程切换示意图”中的箭头体现了进程状态的动态切换（如A→B→C→D），每个程序计数器（PC）的切换对应进程状态的改变。

二、并发性（Concurrency）

定义：多个进程可同时在内存中存在，通过时间片轮转等调度策略交替占用CPU，宏观上“同时运行”。
核心表现：

并发 vs 并行：
- 并发：单核CPU通过快速切换实现多进程“同时”执行（如示意图右侧时间轴上A、B、C、D交替执行）。
- 并行：多核CPU真正同时运行多个进程（需硬件支持）。
资源复用：通过进程调度（如先来先服务、优先级调度），CPU和内存资源被高效共享，提升系统吞吐量。
挑战：并发可能导致执行结果不确定（异步性），需同步机制（如信号量）保障正确性。

三、独立性（Independence）

定义：每个进程拥有独立的地址空间和系统资源（内存、文件等），互不干扰。
核心表现：

内存隔离：进程通过页表（Page Table）和MMU（内存管理单元）实现虚拟地址到物理地址的独立映射，一个进程无法直接访问其他进程的内存。
资源独立：操作系统为每个进程分配独立的文件描述符、环境变量等资源，进程崩溃不会影响其他进程（如Chrome浏览器多标签页独立进程设计）。
示意图关联：右侧时间轴中A、B、C、D的独立执行线段，体现了进程各自推进的独立性。

四、制约性（Constraint）

定义：进程因共享资源或协作任务而产生互斥或同步关系。
核心表现：

互斥（Mutual Exclusion）：
- 临界资源（如打印机、共享变量）一次仅允许一个进程访问。
- 通过信号量（Semaphore） 或互斥锁（Mutex） 实现（例如P/V操作）。
同步（Synchronization）：
- 协作进程需按特定顺序执行（如生产者-消费者模型）。
- 通过条件变量（Condition Variable） 或屏障（Barrier） 协调执行顺序。
  挑战：制约不当可能导致死锁（Deadlock）或竞态条件（Race Condition）。

进程控制块

一、进程标识信息

核心作用：唯一标识进程身份与归属关系，实现权限控制和进程树管理。

本进程标识符（PID）
- 定义：操作系统分配给进程的唯一非负整数标识（如Linux中PID范围通常为1~32767）。
- 功能：通过getpid()系统调用获取当前PID，用于进程调度、资源分配和信号传递。
- 唯一性：进程终止后PID可被回收重用，但同一时刻PID全局唯一。
父进程标识符（PPID）
- 定义：记录创建该进程的父进程PID（如Shell启动程序时，Shell为父进程）。
- 功能：支持进程树管理（pstree命令可查看层级关系），父进程通过wait()回收子进程资源，避免僵尸进程。
用户标识符（UID）
- 权限控制：分为实际用户ID（启动进程的用户）和有效用户ID（决定文件访问权限），通过setuid()可修改权限。
- 安全机制：例如SUID程序（如passwd）运行时，有效用户ID临时提升为root以修改系统文件。

二、处理机状态信息保存区

核心作用：保存进程被中断时的CPU现场，确保切换后能恢复执行。

用户可见寄存器
- 数据/地址寄存器：存储运算中间结果和内存地址（如EAX、EBX）。
- 示例：进程计算a = b + c时，b、c的值暂存于寄存器，切换时需保存至PCB。
控制和状态寄存器
- 程序计数器（PC）：指向下一条待执行指令地址，中断时保存PC值确保恢复后继续执行。
- 程序状态字（PSW）：包含标志位（如进位标志CF、零标志ZF），记录算术运算结果和CPU状态。
  示例：若进程执行除法时除数为0，PSW溢出标志触发异常处理。
栈指针（Stack Pointer）
- 功能：指向当前栈顶地址，保存函数调用链、局部变量及中断现场。
- 场景：系统调用时，内核栈保存用户栈指针以切换执行上下文。

三、进程控制信息

核心作用：管理进程资源、调度策略及协作机制。

调度和状态信息
- 进程状态：就绪（等待CPU）、运行（占用CPU）、阻塞（等待I/O）等。
- 调度参数：优先级（实时进程优先于普通进程）、时间片长度（如Linux默认100ms）。
- 队列指针：指向就绪队列/阻塞队列中的下一个PCB，实现调度器高效遍历。
进程间通信（IPC）信息
- 通信机制：信号量、消息队列、共享内存的标识符存储于PCB。
- 示例：进程A向进程B发送消息时，内核通过B的PCB定位其消息队列缓冲区。
存储管理信息
- 内存结构：记录页表/段表基址（如x86的CR3寄存器），实现虚拟地址转换。
- 隔离保障：各进程页表独立，防止越界访问（如进程无法读写其他进程的0x08048000地址）。
进程所用资源
- 文件描述符表：记录打开的文件句柄（如fd 0/1/2对应stdin/stdout/stderr）。
- 资源清单：I/O设备、信号量、定时器等资源标识符，进程终止时由内核统一回收。
数据结构连接信息
- 组织方式：
  - 链表：同状态PCB组成队列（如就绪链表、阻塞链表）。
  - 索引表：按状态建立哈希表加速查找（较少用）。
- 亲属关系：父进程PCB记录子进程链表指针，支持wait()遍历子进程。