操作系统——进程
在操作系统的世界里，进程是一个核心概念。无论是我们日常使用的图形界面程序，还是服务器后台运行的服务，本质上都是一个个进程在工作。本文将从进程的基本含义出发，逐步深入探讨进程与程序的区别、进程的状态、调度机制，以及如何在 Linux 中操作进程，最后通过实践案例帮助你巩固所学知识。
一、进程的含义：程序的 "动态人生"
简单来说，进程是程序的执行过程。当我们双击一个应用程序（比如浏览器），或者在终端运行./a.out时，操作系统会为这个程序分配内存资源、CPU 时间片等，这个 "活动" 的过程就是进程。
进程的所有信息都被记录在一个名为PCB（Process Control Block，进程控制块） 的结构体中（在 Linux 中对应的结构体是task_struct）。可以把 PCB 理解为进程的 "身份证 + 档案"，包含了进程运行所需的全部关键信息：
- PID（Process ID，进程标识符）：每个进程的唯一编号，就像人的身份证号。
- 当前工作路径：进程的 "工作目录"，可通过
chdir系统调用修改。 - umask：文件创建时的默认权限掩码（比如默认
0002，表示新文件权限会去掉其他用户的写权限）。 - 打开的文件列表：进程已打开的文件描述符，包括普通文件、管道、设备等。
- 信号相关设置：如何处理异步事件（比如
Ctrl+C发送的终止信号）。 - 用户 ID 和组 ID：标识进程的所属用户和用户组，用于权限控制。
- 资源上限：进程能使用的系统资源上限（可通过
ulimit -a查看，比如最大打开文件数、最大内存使用量等）。
二、进程与程序：动态与静态的博弈
很多人会混淆 "进程" 和 "程序"，其实两者的核心区别在于 "动态" 与 "静态"：
| 维度 | 程序 | 进程 |
|---|---|---|
| 存在形式 | 静态：存储在硬盘中的代码和数据集合 | 动态：程序的执行过程（创建→调度→消亡） |
| 生命周期 | 永存：只要不删除，就一直存在 | 暂时：从启动到结束，有明确的生命周期 |
| 状态变化 | 无：始终是固定的代码和数据 | 有：运行、暂停、阻塞等状态切换 |
| 资源占用 | 不占用 CPU、内存等运行时资源 | 占用 CPU、内存、文件描述符等资源 |
| 并发能力 | 无：无法同时 "运行" 多个副本 | 有：多个进程可并发执行 |
举个例子：我们编写的test.c编译后生成a.out（这是程序，静态存储在硬盘）；当执行./a.out时，操作系统会创建一个进程（有唯一 PID），这个进程就是a.out的动态执行过程。
一个程序可以生成多个进程（比如多次运行./a.out，会得到多个 PID 不同的进程）；一个进程也可以执行多个程序（比如通过exec系列函数切换执行的程序）。
三、进程的核心作用：实现 "同时" 做更多事
进程的核心价值是实现并发—— 让计算机 "看起来" 能同时运行多个任务。比如我们可以一边用微信发消息，一边用浏览器查资料，这背后就是多个进程在协同工作。
这里需要区分两个容易混淆的概念：
- 并发：宏观上多个任务同时进行，但微观上 CPU 通过快速切换任务（上下文切换）实现，同一时刻只有一个任务在执行（比如单 CPU 系统）。
- 并行：微观上多个任务真正同时执行，需要多个 CPU 核心（比如双核心 CPU 可同时运行两个进程）。
举个代码例子：如果我们想同时处理 "上下左右按键输入" 和 "发送视频"，单线程循环嵌套无法实现（会陷入内层循环无法跳出），但通过两个进程分别处理，就能实现 "同时进行"：
// 伪代码：两个进程分别处理不同任务
// 进程1：处理上下左右输入
while(1){检测上下左右按键;响应按键操作;
}// 进程2：发送视频
while(1){采集视频数据;发送视频;
}
四、进程的状态：从诞生到消亡的 "人生阶段"
进程的生命周期中会经历多种状态，不同操作系统对状态的划分略有差异：
1. 基本操作系统的三状态模型
- 就绪态：进程已获取除 CPU 外的所有资源，等待 CPU 调度。
- 执行态：进程正在 CPU 上执行代码。
- 阻塞态：进程因等待资源（比如等待键盘输入、文件读取完成）而暂停，即使分配 CPU 也无法执行。
2. Linux 中的进程状态
Linux 对进程状态的划分更细致，通过ps aux可查看进程状态：
- R（运行态）：包括正在 CPU 执行和处于就绪态的进程（等待 CPU 调度）。
- S（可唤醒睡眠态）：进程等待资源，但可被信号唤醒（比如等待键盘输入时，
Ctrl+C可终止）。 - D（不可唤醒睡眠态）：进程等待关键资源（比如磁盘 I/O），不可被信号唤醒（避免数据不一致）。
- T（暂停态）：进程被暂停（比如收到
SIGSTOP信号，可通过SIGCONT恢复）。 - Z（僵尸态）：进程已结束，但父进程未回收其资源（PCB 仍存在），需父进程调用
wait系列函数清理。
五、进程调度：操作系统的 "指挥家"
操作系统的核心功能之一是进程调度—— 决定哪个进程获取 CPU 资源，以及运行多长时间。调度的目标是提高系统吞吐量、减少响应时间，不同场景采用不同算法：
1. 调度算法分类
实时系统（要求任务在规定时间内完成）：
- FIFO（先来先服务）：按请求顺序调度，适合长任务。
- RR（时间片轮转）：为每个任务分配固定时间片，超时后切换，适合短任务。
- 短任务优先：优先调度运行时间短的任务，减少平均等待时间。
分时系统（不保证严格时间限制，注重交互响应）：
- 时间片轮询：每个进程轮流获得 CPU 时间片（比如 10ms），宏观上 "同时" 运行。
- 优先级调度：高优先级进程先执行（优先级可动态调整，避免低优先级进程饿死）。
2. 上下文切换
当调度器切换进程时，需要保存当前进程的状态（CPU 寄存器、内存映射等），加载新进程的状态，这个过程称为上下文切换。虽然上下文切换会消耗资源，但正是通过这种切换，才能实现多进程并发。
六、Linux 中查询进程的常用命令
在 Linux 中，我们可以通过以下命令查看和管理进程：
ps aux：查看系统中所有进程的详细信息，包括：- 状态（R/S/D/T/Z）、PID、PPID（父进程 ID）、CPU 占用率、内存占用等。
- 示例：
ps aux | grep a.out可筛选出名为a.out的进程。
top：动态显示进程状态（默认每秒刷新），按 CPU / 内存占用排序，适合监控系统负载。kill和killall：发送信号控制进程：kill -2 PID：发送SIGINT信号（相当于Ctrl+C），请求进程终止。kill -9 PID：发送SIGKILL信号，强制终止进程（进程无法忽略）。killall -9 进程名：终止所有同名进程（比如killall -9 a.out）。
七、进程操作的核心函数（原语）
在 C 语言中，我们可以通过系统调用直接操作进程，最核心的是fork、getpid和getppid：
fork()：创建子进程，特点是 "一次调用，两次返回"：- 父进程中返回子进程的 PID（>0）。
- 子进程中返回 0。
- 子进程是父进程的副本（复制用户空间和 PCB，但 PID 不同），变量不共享（各自有独立内存空间）。
- 示例：
#include <stdio.h> #include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid > 0) {printf("父进程：PID=%d，子进程PID=%d\n", getpid(), pid);} else if (pid == 0) {printf("子进程：PID=%d，父进程PID=%d\n", getpid(), getppid());}return 0; }
getpid()：获取当前进程的 PID。getppid()：获取当前进程的父进程 PID。
八、实践练习：动手操作进程
练习 1：两个进程向同一文件写入数据
编写程序，创建父进程和子进程，分别向1.txt写入带时间戳和 PID 的信息：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main() {int fd = open("1.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);pid_t pid = fork();if (pid > 0) { // 父进程while (1) {time_t t = time(NULL);char* time_str = ctime(&t);char buf[100];sprintf(buf, "父进程 %d：%s", getpid(), time_str);write(fd, buf, strlen(buf));sleep(2); // 每2秒写一次}} else if (pid == 0) { // 子进程while (1) {time_t t = time(NULL);char* time_str = ctime(&t);char buf[100];sprintf(buf, "子进程 %d：%s", getpid(), time_str);write(fd, buf, strlen(buf));sleep(3); // 每3秒写一次}}close(fd);return 0;
}
总结
进程是操作系统资源分配和调度的基本单位，理解进程的概念、状态、调度机制，是掌握操作系统的关键。从静态的程序到动态的进程，从单个任务到多进程并发，进程的设计让计算机能够高效地处理复杂任务。
希望通过本文的讲解和实践案例，你能对 Linux 进程有更清晰的认识。不妨动手试试文中的练习，感受进程的运行机制吧！
进程的内存
Stack |(栈)
--------|
Share |(共享区)So动态库/共享库
--------|
Heap |(堆)程序原来控制 手动申请手动释放
--------|
Data |
--------|--->数据段
Code |分布
0-3G(用户内存空间),是进程的空间，3G-4G是内核(内核内存空间)的空间,虚拟地址
虚拟地址＊物理内存和虚拟内存的地址 映射表 1page=4kmmu（内存管理单元）