【进程 】

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1. ELF格式程序与进程

在Linux系统里，程序文件普遍采用ELF（Executable and Linkable Format）格式。这种格式的程序文件存储在硬盘上，处于静态。当程序被执行时，它会被载入内存，开启动态运行的进程之旅。具体来说，程序载入内存，就是把数据段、代码段等运行必不可少的资源复制到内存中。同时，系统会为这个正在运行的进程分配栈、堆等内存空间，让它从静态的程序转化为一个有生命力的、动态的实体。简单来讲，程序是静态存储在硬盘上的文件，进程则是程序在内存中运行的活动实例。

2. 进程的组织方式

在Linux操作系统中，除了系统启动时的初始进程，其余所有进程都源自一个父进程的复刻（fork）。这就如同人类家族繁衍，每个个体都由父母孕育而来。在整个Linux系统里，所有进程都起源于同一个初始进程，它们之间构成一棵倒置的进程树。通过pstree命令，我们能清晰地查看这些进程间的关系。例如：

shaseng@ubuntu:~$ pstree
systemd─┬─ModemManager───2*[{ModemManager}]
        ├─VGAuthService
        ├─accounts-daemon───2*[{accounts-daemon}]
        ├─acpid
        ├─avahi-daemon───avahi-daemon
        ├─bluetoothd
        ├─boltd───2*[{boltd}]
        ├─colord───2*[{colord}]
        ├─cron
        ├─cups-browsed───2*[{cups-browsed}]
        ├─cupsd
        ├─2*[dbus-daemon]
        ├─fcitx
        ├─fcitx-dbus-watc
        ├─firefox─┬─Privileged Cont───18*[{Privileged Cont}]
        │         ├─Web Content───15*[{Web Content}]
        │         ├─Web Content───14*[{Web Content}]
        │         ├─WebExtensions───16*[{WebExtensions}]
        │         └─58*[{firefox}]
        ├─fwupd───4*[{fwupd}]
        ├─gdm3─┬─gdm-session-wor─┬─gdm-x-session─┬─Xorg───{Xorg}
        │      │                 │               ├─gnome-session-b
        │      │                 │               └─2*[{gdm-x-session}]
        │      │                 └─2*[{gdm-session-wor}]
        │      └─2*[{gdm3}]
        ├─gnome-keyring-d───3*[{gnome-keyring-d}]
        ├─gsd-printer───2*[{gsd-printer}]
        ├─ibus-x11───2*[{ibus-x11}]
        ├─irqbalance───{irqbalance}
        ├─2*[kerneloops]
        ├─mosquitto
        ├─networkd-dispat───{networkd-dispat}
        ├─packagekitd───2*[{packagekitd}]
        ├─polkitd───2*[{polkitd}]
        ├─pulseaudio───2*[{pulseaudio}]
        ├─python3───2*[{python3}]
        ├─rsyslogd───3*[{rsyslogd}]
        ├─rtkit-daemon───2*[{rtkit-daemon}]
        ├─snapd───14*[{snapd}]
        ├─sogoupinyinServ───4*[{sogoupinyinServ}]
        ├─sogoupinyinServ───8*[{sogoupinyinServ}]
        ├─sshd
        ├─systemd─┬─(sd-pam)
        │         ├─at-spi-bus-laun─┬─dbus-daemon
        │         │                 └─3*[{at-spi-bus-laun}]
        │         ├─at-spi2-registr───2*[{at-spi2-registr}]
        │         ├─dbus-daemon
        │         ├─dconf-service───2*[{dconf-service}]
        │         ├─evolution-addre─┬─evolution-addre───5*[{evolution-addre}]
        │         │                 └─4*[{evolution-addre}]
        │         ├─evolution-calen─┬─evolution-calen───8*[{evolution-calen}]
        │         │                 └─4*[{evolution-calen}]
        │         ├─evolution-sourc───3*[{evolution-sourc}]
        │         ├─gnome-shell-cal───5*[{gnome-shell-cal}]
        │         ├─gnome-terminal-─┬─bash───pstree
        │         │                 └─3*[{gnome-terminal-}]
        │         ├─goa-daemon───3*[{goa-daemon}]
        │         ├─goa-identity-se───3*[{goa-identity-se}]
        │         ├─gvfs-afc-volume───3*[{gvfs-afc-volume}]
        │         ├─gvfs-goa-volume───2*[{gvfs-goa-volume}]
        │         ├─gvfs-gphoto2-vo───2*[{gvfs-gphoto2-vo}]
        │         ├─gvfs-mtp-volume───2*[{gvfs-mtp-volume}]
        │         ├─gvfs-udisks2-vo───2*[{gvfs-udisks2-vo}]
        │         ├─gvfsd─┬─gvfsd-http───2*[{gvfsd-http}]
        │         │       ├─gvfsd-trash───2*[{gvfsd-trash}]
        │         │       └─2*[{gvfsd}]
        │         ├─gvfsd-fuse───5*[{gvfsd-fuse}]
        │         └─ibus-portal───2*[{ibus-portal}]
        ├─systemd-journal
        ├─systemd-logind
        ├─systemd-resolve
        ├─systemd-timesyn───{systemd-timesyn}
        ├─systemd-udevd
        ├─udisksd───4*[{udisksd}]
        ├─upowerd───2*[{upowerd}]
        ├─vmhgfs-fuse───3*[{vmhgfs-fuse}]
        ├─vmtoolsd
        ├─vmtoolsd───{vmtoolsd}
        ├─vmware-vmblock-───2*[{vmware-vmblock-}]
        ├─whoopsie───2*[{whoopsie}]
        └─wpa_supplicant

从这个输出可以看出，最顶层的系统进程是systemd。它的诞生很特殊，在系统启动前，其身份信息就已存在于系统分区，系统启动时直接被复制到内存。而其他进程，都是systemd这个初始进程的直接或间接后代。

3. 进程的复刻（fork）

除了系统初始化进程，其他进程都是通过fork()函数复刻产生的。这个复刻过程类似细胞分裂。当一个进程复刻出一个子进程时，会将自身的大部分资源复制一份给子进程。

• 父子进程创建之初相同的属性：
  • 实际用户ID（UID）和组ID（GID），以及有效UID和GID。这些ID决定了进程对系统资源的访问权限，父子进程在创建时权限属性一致。
  • 所有环境变量。环境变量为进程提供运行时的配置信息，比如系统路径、语言设置等，子进程会继承父进程的环境变量。
  • 进程组ID和会话ID。进程组和会话ID用于进程间的管理和通信，父子进程同属一个进程组和会话。
  • 当前工作路径。工作路径决定了进程在文件系统中的操作位置，父子进程初始时工作路径相同。
  • 打开的文件。如果父进程打开了一些文件，子进程也会拥有相同的文件描述符，指向这些打开的文件。
  • 信号响应函数。信号是系统与进程通信的一种方式，父子进程对各种信号的响应方式在创建时是一样的。
  • 整个内存空间，包括栈、堆、数据段、代码段、标准IO的缓冲区等。虽然父子进程的内存空间在物理上是独立的，但内容在创建时完全一致。
• 父子进程不同的属性：
  • 进程号PID。每个进程都有唯一的PID，就像身份证号码，用于系统识别和管理进程，父子进程的PID必然不同。
  • 记录锁。如果父进程对某个文件加了记录锁，子进程不会继承这把锁，因为锁是针对特定进程的资源访问控制。
  • 挂起的信号。挂起的信号是等待进程响应的信号，子进程不会继承父进程那些“悬而未决”的信号。

4. 进程的状态

进程作为动态活动的实体，有着多种运行状态，从创建到回收经历不同阶段：

• 所有进程（除系统初始进程systemd外）都有父进程。父进程通过调用fork()函数创建子进程，新创建的子进程拥有和父进程相同的执行代码、内存空间（虽然内容一样，但内存区域相互独立）等信息，此时子进程处于就绪态（TASK_RUNNING），表示它已经准备好运行，只要获得CPU资源就能执行。
• 当进程退出时，不管是主动调用退出函数还是因错误等被动退出，都会进入僵尸态（EXIT_ZOMBIE）。在僵尸态下，进程无法运行，也不能被调度，但它所占据的系统资源尚未释放。僵尸态是进程结束的必经状态，在编程中无法避免，但要防止进程长时间处于僵尸态，因为这会浪费系统资源。
• 僵尸态进程需要等待其父进程回收其资源后，才能转变为死亡态（EXIT_DEAD） ，死亡态的进程所有占据的系统资源可以被系统随时回收。