HoRain云--全面剖析 Linux 进程管理与 PCB 机制-优快云博客

字段类别	关键成员	作用
标识信息	`pid_t pid`	进程唯一标识符（PID）
	`pid_t tgid`	线程组 ID（主线程 PID）
状态与调度	`volatile long state`	进程状态（运行、就绪、阻塞等）
	`int exit_state`	终止状态（僵尸进程标记）
	`struct sched_entity se`	调度实体（权重、优先级、时间片）
内存管理	`struct mm_struct *mm`	指向进程虚拟内存描述符（地址空间、页表等）
文件系统	`struct files_struct *files`	打开的文件描述符表
信号处理	`struct signal_struct *signal`	信号处理函数表
进程关系	`struct task_struct *parent`	父进程指针
	`struct list_head children`	子进程链表
时间统计	`u64 utime`, `u64 stime`	用户态和内核态 CPU 时间

3. 进程生命周期与状态转换

进程状态定义（state 字段）

TASK_RUNNING：进程正在运行或就绪（等待 CPU 调度）。
TASK_INTERRUPTIBLE：可中断睡眠（等待资源或信号唤醒）。
TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中断睡眠（等待必须完成的硬件操作）。
__TASK_STOPPED：进程被暂停（如收到 SIGSTOP 信号）。
EXIT_ZOMBIE：僵尸状态（进程已终止，但父进程未回收资源）。
EXIT_DEAD：最终终止状态。

典型生命周期流程

创建 (fork) → 就绪 (TASK_RUNNING) → 运行 → 
  → 阻塞 (TASK_INTERRUPTIBLE/UNINTERRUPTIBLE) → 唤醒 → 就绪 → 
  → 终止 (exit) → 僵尸 (EXIT_ZOMBIE) → 父进程回收 (wait) → EXIT_DEAD

4. 进程创建与管理机制

关键系统调用

fork()：通过**写时复制（COW）**克隆父进程，创建子进程。
- 子进程复制父进程的 task_struct、内存映射和文件表（引用计数增加）。
execve()：加载新程序到进程空间，重置代码段和数据段。
wait() / waitpid()：父进程回收子进程资源，避免僵尸进程。

代码示例：进程创建

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {  // 子进程
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
    } else {         // 父进程
        wait(NULL);  // 等待子进程结束
    }
    return 0;
}

5. 进程调度机制

调度策略（policy 字段）

SCHED_NORMAL：普通进程的完全公平调度（CFS）。
SCHED_FIFO / SCHED_RR：实时进程的先进先出或轮转调度。
SCHED_BATCH / SCHED_IDLE：低优先级后台任务。

调度实体（sched_entity）

包含 vruntime（虚拟运行时间），用于 CFS 计算进程优先级。
通过红黑树组织就绪队列，选择 vruntime 最小的进程执行。

6. 进程间通信（IPC）与资源共享

IPC 机制

信号（Signals）：通过 kill() 或键盘事件（如 Ctrl+C）发送信号。
管道（Pipes）：单向数据流，基于文件描述符通信。
共享内存（Shared Memory）：通过 shmget() 创建共享内存区域。
信号量（Semaphores）：同步对共享资源的访问。

线程与轻量级进程（LWP）

Linux 线程通过 clone() 系统调用实现，共享地址空间和文件描述符。
每个线程拥有独立的 task_struct，但 tgid 指向主线程 PID。

7. 进程监控与调试工具

常用命令

ps：查看进程状态、PID 和资源占用。

ps aux | grep nginx  # 查找 nginx 相关进程

top / htop：实时监控进程 CPU/内存使用。

strace：跟踪进程的系统调用。

strace -p <PID>      # 跟踪正在运行的进程

gdb：调试进程内存和堆栈。

gdb -p <PID>         # 附加到运行中的进程

查看 /proc 文件系统

cat /proc/<PID>/status  # 查看进程详细状态
ls /proc/<PID>/fd/      # 查看进程打开的文件描述符

8. 核心机制总结

机制	实现方式	内核数据结构
进程标识	PID 与命名空间（namespace）	`pid_namespace`
状态管理	`state` 字段与调度器交互	`task_struct`
资源隔离	虚拟内存（`mm_struct`）与文件描述符表	`mm_struct`, `files_struct`
进程间通信	信号、管道、共享内存等	`signal_struct`, 管道缓冲区
调度公平性	CFS 算法与 `vruntime` 计算	`sched_entity` 红黑树