一、进程基础

1. 进程核心定义

• 进程是操作系统资源分配与调度的最小基本单位，是程序的一次动态执行过程。
• 内核为每个运行程序创建task_struct 结构体（PCB 进程控制块），存储进程状态、PID、内存指针、资源占用等全部信息。
• 进程正常结束 / 异常崩溃时，内核会回收 task_struct，避免资源泄漏。

2. 进程四大核心特征

1. 动态性：有生命周期，动态创建、执行、消亡。
2. 并发性：多进程可同时交替执行，共享 CPU 资源。
3. 独立性：独立运行、独立拥有地址空间与系统资源。
4. 异步性：进程按独立、不可预知的速度推进，相互制约。

3. 进程调度基础

• 进程以时间片（默认 5ms） 轮转占用 CPU。
• 就绪态进程进入运行队列，等待 CPU 调度；时间片用完回到就绪态。

二、程序与进程

1. 程序 vs 进程

对比维度	程序（Program）	进程（Process）
本质	静态指令集合，磁盘上的可执行文件（.exe）	程序的动态执行实例，有生命周期
资源占用	仅占磁盘空间，不占用 CPU / 内存	占用 CPU、内存、文件句柄、网络端口
状态	无状态	运行、睡眠、停止、僵尸等状态
独立性	多程序无直接关联	多进程独立地址空间，需 IPC 通信
生命周期	长期存储在磁盘	随程序启动创建，执行结束销毁
示例	磁盘上的浏览器.exe	双击打开的浏览器窗口

2. 程序与进程的关联

• 一个程序可对应多个进程（多开软件）。
• 多进程共享只读代码段，数据段、栈、堆相互独立。
• 关闭进程不删除程序文件；删除程序文件，已运行进程可继续执行（依赖文件时报错）。

三、进程组成

1. PCB（进程控制块）

• 操作系统管理进程的核心数据结构，是系统感知进程存在的唯一依据。
• 存储内容：进程标识（PID/PPID）、状态、内存信息、资源占用、调度信息。

2. 文本段

• 存储程序编译后的机器码指令，设置为只读（防止指令被篡改）。
• 多进程运行同一程序可共享文本段，大幅节省内存。

3. 数据段

存储进程运行时的动态数据，分为 4 部分：

1. 初始化数据段：已赋初值的全局变量 / 静态变量。
2. 未初始化数据段（BSS）：未赋初值的全局变量 / 静态变量。
3. 堆（heap）：动态内存分配（malloc/free），向上增长。
4. 栈（stack）：局部变量、函数调用，向下增长，系统自动管理。

四、Linux 进程三大类型

1. 交互进程

• 由 Shell 启动，依赖终端，用户手动操作，前台运行。
• 示例：ls、vim、浏览器。

2. 批处理进程

• 无需用户交互，优先级低，后台按脚本 / 任务序列自动执行。
• 示例：定时备份、日志处理脚本。

3. 守护进程（Daemon）

• 系统启动时自动运行，脱离终端，随系统关闭终止。
• 提供持续系统服务，名称常以 d 结尾（systemd、httpd）。

五、Linux 进程状态（基础 + 附加 + 转换）

1. 6 种基础状态

状态	标识	含义
运行 / 就绪态	R	正在 CPU 执行 或 等待 CPU 调度
可中断睡眠态	S	等待事件（I/O/ 信号），可被信号唤醒
不可中断睡眠态	D	等待关键硬件操作，不能被中断，保证数据完整
停止态	T	被 SIGSTOP 暂停，可被 SIGCONT 恢复
僵尸态	Z	进程终止，PCB 未被父进程回收
死亡态	X	资源完全释放，瞬间状态，无法观测

2. 附加状态标记

• +：前台进程组，直接关联终端
• l：多线程进程（LWP）
• N：低优先级（NI>0）
• <：高优先级（NI<0）
• s：会话首进程（会话 leader）
• L：持有文件 / 资源锁

3. 进程状态转换流程

1. fork () 创建→就绪态 R
2. 获得 CPU→运行态 R
3. 时间片到→回到就绪态 R
4. 等待事件→可中断睡眠 S / 不可中断睡眠 D
5. 收到 SIGSTOP→停止态 T
6. 进程退出→僵尸态 Z
7. 父进程 wait () 回收→死亡态 X

六、进程 PID（进程标识）

1. PID 规则

• PID 是≥1 的整数，0 号为特殊进程。
• 系统最大 PID 数：sysctl kernel.pid_max 查看。
• 进程信息存放在 /proc/[PID] 目录。

2. 三大特殊 PID

PID	进程名	核心作用
0	idle	系统首个进程，CPU 空闲时调度
1	init/systemd	系统初始化，回收孤儿进程
2	kthreadd	内核进程调度，管理内核任务（IO、内存回收）

七、Linux 进程管理常用命令（完整用法）

1. ps：进程快照查看

• ps -ef：列出所有进程，全格式显示（PID/PPID/ 状态 / 命令）
• ps -aux：按用户维度显示，包含 CPU / 内存占用率
• ps -eo pid,comm：自定义输出字段
• ps -l：长格式查看当前终端进程

2. top：实时进程监控

• 动态显示 CPU、内存、负载、进程资源占用，支持排序。

3. htop：交互式进程工具

• 可视化界面、支持鼠标、进程树展示，比 top 更易用。

4. 进程终止命令

• kill -l：查看所有信号
• kill -9 PID：强制终止进程（SIGKILL，不可忽略）
• kill -2 PID：中断进程（SIGINT，同 Ctrl+C）
• killall 进程名：终止所有同名进程
• killall -9 进程名：强制终止所有同名进程

5. 其他命令

• pstree：树状展示进程父子关系
• bg 作业号：挂起进程转后台运行
• fg 作业号：后台进程转前台
• nice -n 优先级 命令：启动时设置优先级
• renice 优先级 -p PID：修改运行中进程优先级

八、多进程核心系统调用

1. 进程创建：fork ()

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

• 功能：复制父进程创建子进程，写时拷贝（Copy On Write）。
  • 读操作：父子共享物理内存。
  • 写操作：重新映射新物理内存。
• 返回值：
  • 父进程：返回子进程 PID（>0）
  • 子进程：返回0
  • 失败：返回 -1

2. 进程号获取

• getpid()：获取当前进程 PID
• getppid()：获取父进程 PID

3. 进程退出

函数	头文件	功能	区别
exit()	stdlib.h	正常退出，刷新缓冲区	库函数
_exit()	unistd.h	立即退出，不刷新缓冲区	系统调用

4. 子进程资源回收

wait ()（阻塞等待）

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *wstatus);

• 父进程阻塞，等待任意子进程退出，回收 PCB。
• 状态解析宏：
  • WIFEXITED：判断正常退出
  • WEXITSTATUS：获取退出码
  • WIFSIGNALED：判断被信号终止
  • WTERMSIG：获取终止信号编号

waitpid ()（精准等待）

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

• pid：
  • -1：等待任意子进程
  • >0：等待指定 PID 子进程
• options：
  • 0：阻塞
  • WNOHANG：非阻塞
  • WUNTRACED：捕获暂停状态
  • WCONTINUED：捕获恢复状态

5. 文件描述符重定向

• dup(oldfd)：复制文件描述符，系统分配最小可用 fd
• dup2(oldfd, newfd)：指定 newfd，已打开则自动关闭

6. exec 族函数（程序替换）

• 功能：用新程序替换当前进程，PID 不变，成功无返回。
• 常用：
  • execlp：按 PATH 查找程序，参数列表传入
  • execvp：按 PATH 查找程序，参数数组传入

九、三大特殊进程

1. 孤儿进程

• 定义：父进程先终止，子进程成为孤儿。
• 处理：被1 号进程（init/systemd） 收养。
• 特点：正常运行，无系统危害，退出后自动回收。

2. 僵尸进程

• 定义：子进程终止，父进程未调用 wait/waitpid，PCB 残留，状态 Z。
• 危害：占用 PID 资源，大量僵尸会导致新进程无法创建。
• 清理：
  • 预防：父进程主动回收子进程。
  • 清除：终止父进程，孤儿状态被 1 号进程回收。
  • 注意：kill -9 无法杀死僵尸进程（无运行实体）。

3. 守护进程

• 核心特点：脱离终端、后台运行、父进程为 1 号、长期服务。
• 创建流程：
  1. fork () → 父进程 exit ()，子进程成孤儿
  2. setsid ()：创建新会话，脱离原终端
  3. chdir ("/")：切换工作目录到根目录
  4. umask ()：设置文件权限掩码
  5. 关闭继承的文件描述符
  6. 重定向输入输出到 /dev/null
  7. 启动服务逻辑

十、进程间通信（IPC）

Linux IPC 分三类：传统 IPC、System V IPC、BSD Socket。

1. 无名管道（pipe）

• 特点：
  • 内核实现，仅亲缘进程（父子 / 兄弟） 通信
  • 半双工，单向传输，大小 64KB
  • 不能 lseek 随机访问
• 函数：int pipe(int pipefd[2])
  • pipefd [0]：读端
  • pipefd [1]：写端
• 读写规则：
  • 读端存在：写满阻塞，有空间唤醒
  • 读端关闭：写触发 SIGPIPE（管道破裂）
  • 写端存在：无数据读阻塞
  • 写端关闭：无数据读返回 0

2. 有名管道（fifo）

• 特点：
  • 任意进程可通信（亲缘 / 非亲缘）
  • 半双工，有管道文件，大小 64KB
• 函数：mkfifo(路径名, 权限) 创建管道文件
• 读写规则：
  • 读端未打开：写 open () 阻塞
  • 写端未打开：读 open () 阻塞

3. 信号（signal）

• 本质：软件模拟中断，内核 / 进程可发送。
• 处理方式：默认、忽略、捕捉（SIGKILL/SIGSTOP 不可捕捉 / 忽略）。
• 常用信号：
  • SIGINT（2）：Ctrl+C 中断
  • SIGKILL（9）：强制终止
  • SIGSTOP（19）：暂停
  • SIGCONT（18）：恢复
  • SIGPIPE（13）：管道破裂
• 函数：signal() 绑定信号处理函数，kill() 发送信号。

4. 消息队列

• 特点：内核维护，按消息类型收发，异步通信，默认 6KB。
• 核心函数：
  • msgget()：创建 / 获取队列
  • msgsnd()：发送消息
  • msgrcv()：接收消息
  • msgctl(IPC_RMID)：删除队列

5. 共享内存

• 特点：效率最高的 IPC，无需数据拷贝，多进程直接访问内核内存。
• 核心函数：
  • shmget()：创建共享内存
  • shmat()：映射到进程地址空间
  • shmdt()：取消映射
  • shmctl(IPC_RMID)：删除共享内存

6. 信号量集

• 作用：实现进程同步与互斥，控制共享资源访问。
• 核心操作：
  • P 操作（申请）：信号量 - 1，<0 则阻塞
  • V 操作（释放）：信号量 + 1，>0 则唤醒等待进程
• 核心函数：semget()/semop()/semctl()

7. IPC 适用场景

• 无名管道：父子进程简单通信
• 有名管道：任意进程本地通信
• 信号：进程简单控制
• 消息队列：异步、按类型收发
• 共享内存：大数据、高频通信
• 信号量：共享资源互斥访问