Linux系统编程2（进程）

一、进程基础定义

进程是程序的执行过程，操作系统会为其分配内存、CPU 等系统资源。

1.1 进程控制块（PCB）

PCB（Process Control Block）是内核中的结构体，用于存储进程的所有关键信息，是操作系统管理进程的核心数据结构：
（1）PID：进程唯一标识符
（2）当前工作路径（可通过chdir修改）
（3）umask（默认文件权限掩码，如 0002）
（4）进程打开的文件描述符列表（关联文件 IO）
（5）信号相关配置（处理异步事件）
（6）用户 ID、组 ID（权限控制）

1.2 进程资源限制

Linux 系统对进程资源有默认限制（可通过ulimit修改）：
最大打开文件数：1024
栈空间大小：8M

二、进程与程序的核心区别

注：.c源文件→编译为a.out程序→运行a.out生成进程（分配 PID）

三、进程的内存管理

3.1 虚拟内存与 MMU

隔离性：多进程环境中，进程 A 无法直接访问进程 B 的内存空间（由 MMU（内存管理单元）实现地址映射）
安全性：通过权限控制限制进程对内核空间的访问，避免任意修改系统核心数据

3.2 进程内存空间划分

进程拥有独立的虚拟内存空间（32 位系统默认 4G）
包括：
（1）0~3GB用户空间：代码段(.text)、数据段(.data/.bss)、堆(heap)、共享库区域、栈(stack)
（2）3~4GB内核空间：存放内核核心代码、物理内存映射、进程内核态数据结构、硬件I/O映射及内核动态分配资源的共享区域

四、进程分类

4.1 交互式进程

说明：依赖用户输入触发执行，如终端命令行、图形界面应用（vim、chrome）
特点：响应性优先，需快速处理用户操作

4.2 批处理进程

说明：无需用户交互，批量执行预设任务，如 Shell 脚本、定时任务（crontab）
特点：吞吐量优先，后台静默运行

4.3 守护进程（Daemon）

说明：系统启动后自动运行，长期驻留后台，等待特定条件触发（如定时更新、网络请求监听）
示例：sshd（SSH 服务）、crond（定时任务守护进程）、杀毒软件后台进程
特点：独立于终端，父进程通常为init（PID=1）

五、进程的核心作用：并发

宏观并行：一个时间段内多个进程看似同时运行（如同时打开浏览器、编辑器）
微观串行：任意时刻 CPU 仅能执行一个进程（单核），通过进程切换实现 “并发”

六、进程状态与调度

6.1 Linux 进程状态

运行态（R）：正在执行或等待 CPU
阻塞态（S/D）：等待资源（如 IO、信号）
暂停态（T）：被信号暂停（如SIGSTOP）
僵尸态（Z）：进程终止但 PCB 未被回收
死亡态（X）：进程完全销毁（不可见）

6.2 进程调度算法

操作系统通过调度算法决定 CPU 分配策略：
（1）时间片轮转：每个进程分配固定时间片，轮流执行
（2）短任务优先：优先执行运行时间短的进程
（3）进程优先级：Linux 通过nice值（-20~19）设置优先级，值越低优先级越高
（4）完全公平调度（CFS）：Linux 默认调度算法，按进程 CPU 使用比例分配时间

6.3 进程上下文切换

当进程时间片耗尽或被抢占时，操作系统需保存当前进程的上下文（PCB、寄存器、内存映射等），加载下一个进程的上下文，实现进程切换。
（1）保存：将进程状态写入 PCB，缓存到内存（非硬盘）
（2）恢复：从 PCB 加载进程状态，恢复执行

七、进程相关命令

说明：
（1）kill -9 是 SIGKILL，不可被捕获，慎用
（2）正常结束进程推荐：kill PID（默认 SIGTERM）
（3）ps aux 中的 a u x 是固定组合，不要漏写

八、进程编程核心函数（C 语言）

8.1 进程创建：fork()

#include<unistd.h>pid_tfork(void);

功能：从当前进程（父进程）克隆一个子进程
特性：
（1）一次调用，两次返回（父进程返回子进程 PID，子进程返回 0）
（2）父子进程执行顺序不确定（由调度器决定）
（3）子进程复制父进程的 0~3G 用户空间及 PCB（PID 不同）
（4）Linux 2.6 + 采用写时复制（COW） ：初始共享父进程内存，仅当修改时才分配独立空间
（5）失败返回 - 1（如进程数达到上限）

8.2 获取进程 ID：getpid()/getppid()

#include<unistd.h>pid_tgetpid(void);// 获取当前进程PIDpid_tgetppid(void);// 获取父进程PID

8.3 进程终止

（1）正常终止
①main函数return：仅适用于主线程，返回值为进程退出状态
②exit(int status)（C 库函数）：执行清理工作（刷新缓冲区、关闭文件流、调用atexit注册的退出函数）；status：退出状态（0 表示成功，非 0 表示失败），可通过EXIT_SUCCESS/EXIT_FAILURE宏
③_exit(int status)/_Exit(int status)（系统调用）：直接终止进程，不执行缓冲区刷新和清理函数
（2）异常终止
①abort()：触发SIGABRT信号，强制终止
②外部信号（如kill -9发送SIGKILL）
③线程相关：主线程退出、pthread_exit（主线程）、pthread_cancel（最后一个线程）

8.4 进程回收：wait()/waitpid()

（1）wait()（阻塞回收）

#include<sys/wait.h>pid_twait(int*status);

功能：阻塞等待任意子进程退出，并回收该进程的状态（仅父进程可回收子进程）
参数：status：存储子进程退出状态（NULL 表示不关心）；若需获取退出状态，需结合宏解析
返回值：成功：返回被回收的子进程 PID； 失败：返回 - 1
状态解析宏：

示例：

if(WIFEXITED(status)){printf("exit code = %d\n",WEXITSTATUS(status));}elseif(WIFSIGNALED(status)){printf("killed by signal %d\n",WTERMSIG(status));}

（2）waitpid()（支持阻塞 / 非阻塞回收）

#include<sys/wait.h>pid_twaitpid(pid_tpid,int*status,intoptions);

功能：指定回收某个 / 所有子进程，支持阻塞 / 非阻塞模式
等价关系：waitpid(-1, status, 0) = wait(status)
参数：
①pid：指定回收的子进程（-1 表示所有子进程，>0 表示指定 PID 的子进程）
②status：子进程退出状态（NULL 表示不关心）
③options：0：阻塞模式（等待子进程退出后回收）； WNOHANG：非阻塞模式（立即返回，不等待）
返回值：
①成功：返回被回收的子进程 PID
②0：非阻塞模式下，无子进程退出（需后续重试）
③-1：调用失败（如无可用子进程）
非阻塞回收示例：需在外层套死循环，轮询检测子进程是否退出

8.5 进程程序替换：exec 族函数

（1）核心功能
执行系统中任意可执行文件，常与fork()搭配使用（子进程中执行exec）；从内存角度，执行exec的进程代码段会被新程序替换，新程序执行结束则整个进程终止。
（2）函数命名规则
l（list）：参数以列表形式逐个传入，以 NULL 结尾
v（vector）：参数存储在字符串数组中，数组最后一个元素为 NULL
p（PATH）：仅需传入文件名，系统自动从环境变量PATH中查找程序路径
（3）常用 exec 函数

通用规则：若需调用自定义可执行程序，无论使用哪个exec函数，第一个参数按 “完整路径 + 文件名” 填写均可成功调用。

8.6 系统命令执行：system ()

#include<stdlib.h>intsystem(constchar*command);

功能：执行指定 Shell 命令，内部通过fork+exec实现
注意事项：不能执行修改父进程状态的命令，适合执行信息输出、文件操作类命令
参数：command：待执行的 Shell 命令（如"ls -l"）
返回值：-1 表示调用失败

8.7 工作路径操作函数

（1）获取当前工作路径：getcwd ()

#include<unistd.h>char*getcwd(char*buf,size_tsize);

参数：
buf：存储路径的字符数组
size：字符数组的最大长度
返回值：
成功：指向buf的指针
失败：NULL

（2）修改当前工作路径：chdir ()

#include<unistd.h>intchdir(constchar*path);

参数：path：目标路径（绝对 / 相对路径均可）
返回值：-1 表示调用失败…

九、特殊进程

9.1 僵尸进程

产生原因：子进程终止后，父进程未调用wait()/waitpid()回收其 PCB
危害：长期占用内核 PCB 资源，导致内核内存不足
解决：父进程及时回收子进程；父进程退出后，子进程由init进程接管并回收

9.2 孤儿进程

产生原因：父进程先于子进程终止，子进程成为 “孤儿”
处理：子进程被init进程（PID=1）收养，由init负责回收其资源
特点：无危害，无需特殊处理