5.进程基本概念

1. 进程的基本概念

• 进程：进程是程序执行的过程，操作系统会为其分配内存资源和CPU调度。
• PCB（Process Control Block）：进程控制块，是一个结构体，用于存储进程的相关信息，如：
  • PID：进程标识符。
  • 当前工作路径。
  • umask：文件创建时的默认权限掩码。
  • 进程打开的文件列表。
  • 信号相关设置。
  • 用户ID和组ID。
  • 进程资源的上限（可通过ulimit -a查看）。

2. 进程与程序的区别

• 程序：
  • 静态的，存储在硬盘中的代码和数据的集合。
  • 没有状态变化，无法并发执行。
• 进程：
  • 动态的，程序执行的过程，包括创建、调度和消亡。
  • 有状态变化，可以并发执行。
  • 进程之间会竞争计算机资源。
  • 一个程序可以运行多次，生成多个进程；一个进程可以运行一个或多个程序。

3. 进程的状态

• 基本状态：
  • 就绪态：进程已准备好，等待CPU调度。
  • 执行态：进程正在CPU上运行。
  • 阻塞态：进程因等待某些资源（如I/O）而暂停执行。
• Linux中的进程状态：
  • 运行态（R）：进程正在运行或等待运行。
  • 睡眠态（S/D）：
    • 可唤醒等待态（S）。
    • 不可唤醒等待态（D）。
  • 停止态（T）：进程被暂停。
  • 僵尸态（Z）：进程已终止，但其资源未被完全释放。
  • 结束态：进程已终止并释放资源。

4. 进程调度

• 调度算法：操作系统通过调度算法决定哪个进程获得CPU资源。
  • 时间片轮转（RR）：每个进程轮流获得CPU时间片。
  • 先进先出（FIFO）：按进程到达顺序分配CPU资源。
• 宏观并行，微观串行：多个进程看似同时运行，但实际上是通过快速切换实现的。

5. 进程相关命令

• ps aux：查看系统中所有进程的详细信息。
• top：实时查看进程的CPU占用率等信息。
• kill：向指定进程发送信号。
  • kill -2 PID：发送SIGINT信号，终止进程。
  • kill -9 PID：发送SIGKILL信号，强制终止进程。
• killall：向指定名称的所有进程发送信号。
  • killall -9 a.out：强制终止所有名为a.out的进程。

6. 进程创建与管理

• fork：
  • 函数原型：pid_t fork(void);
  • 功能：创建一个子进程，子进程是父进程的完全拷贝。
  • 返回值：
    • 父进程中：返回子进程的PID（>0）。
    • 子进程中：返回0。
    • 失败时返回-1。
  • 特点：
    • 子进程从fork之后开始执行。
    • 子进程和父进程共享代码段，但拥有独立的数据空间。
• getpid：
  • 函数原型：pid_t getpid(void);
  • 功能：获取当前进程的PID。
• getppid：
  • 函数原型：pid_t getppid(void);
  • 功能：获取当前进程的父进程PID。

7. 进程的应用场景

• 场景1：一个进程希望复制自己，使父子进程同时执行相同的代码段（如网络服务）。
• 场景2：一个进程需要执行一个不同的程序（通过fork + exec实现）。

8. 练习与作业

• 练习1：设计一个程序，动态生成两个进程，分别向同一个文件中写入不同的数据，并标明进程ID和时间。
  • 示例：

    父进程 1123 16:02:10
    子进程 1124 16:02:15
    

• 作业1：动态生成n个子进程，并打印输出各自的PID。
  • 示例：

    进程1 PID: 111
    进程2 PID: 222
    

9. 进程的地址空间

• 虚拟地址空间：
  • 0-3G：用户空间，每个进程独立。
  • 3G-4G：内核空间，所有进程共享。
• 物理内存与虚拟内存的映射：
  • 通过MMU（内存管理单元）实现虚拟地址到物理地址的映射。
  • 1页 = 4KB。

10. 进程的分类

• 交互式进程：与用户交互的进程（如Shell）。
• 批处理进程：执行批处理任务的进程（如Shell脚本）。
• 守护进程：在后台运行的进程，通常用于提供服务（如httpd）。

11. 进程的并发与并行

• 并发：多个进程交替执行，宏观上看似同时运行。
• 并行：多个进程真正同时运行（需要多核CPU支持）。

12. 总结

进程是操作系统资源分配和调度的基本单位。通过fork可以创建子进程，父子进程共享代码段但拥有独立的数据空间。进程的状态包括就绪态、运行态、阻塞态等，操作系统通过调度算法管理进程的执行。通过ps、top、kill等命令可以查看和管理进程。