进程与线程：进程基础

进程基础

1. 程序与进程

1.1 程序

1.1.1 程序的核心定义

• 程序是存储在硬盘上的静态指令集合和数据集合，是完成特定任务的代码文件；
• 程序仅占用磁盘资源，不占用 CPU、内存、进程 ID（PID）等系统运行资源；
• 不同操作系统的可执行程序格式对比：

易错点：

• ✅ 在 Linux 中可执行文件的类型是 ELF 格式；
• ❌ 在 Linux 中 ELF 就是可执行文件（ELF 包含多种文件类型，并非仅可执行文件）。

1.1.2 ELF 格式文件类型

ELF 格式包含 4 类核心文件类型：

实用命令：readelf -h ELF格式文件 → 查看文件的 ELF 头信息。

1.1.3 ELF 格式文件组成

ELF 文件由以下核心部分构成：

• ELF 头：位于文件最开始，记录文件基本信息（文件类型、架构、入口地址、程序头表 / 节区头表的位置和大小）；
• 程序头表：描述文件中的段信息，供加载器将文件加载到内存时使用；
• 节区：文件核心内容，包含代码（.text）、数据（.data、.bss）、符号表（.symtab）、重定位信息等；
• 节区头表：记录每个节区的名称、类型、大小、文件偏移量等，用于链接过程；
• 段：由一个或多个节区组成，是加载到内存的基本单元。

1.2 进程

1.2.1 进程的核心定义

• 进程是程序的一次动态执行过程，占用 CPU、内存等系统运行资源，有完整的生命周期；
• 一个程序可以对应多个进程（如多次启动同一个软件）；
• 一个进程在运行过程中，通常只对应一个程序。

1.2.2 程序加载为进程的核心步骤

2. 进程相关核心信息与工具

2.1 task_struct 结构体

• 进程控制块（PCB）的核心实现，存储进程的所有核心信息（PID、状态、内存地址、优先级等）；
• 存储路径：/usr/src/linux-headers-4.10.0-28-generic/include/linux/sched.h。

2.2 Linux 中查看进程的命令

2.3 进程的父子关系

• Linux 中除初始化进程外，其余所有进程都有父进程；
• 若父进程先退出，子进程会被其他进程（通常是 init/systemd 进程）接管，避免成为 “孤儿进程”。

3. 进程状态

3.1 进程的生命周期（状态转换）

3.1.1 诞生 → 就绪态

• 触发条件：父进程调用 fork 函数，内核为新进程分配 PID、PCB 等资源，新进程进入到就绪态；
• 就绪队列：进程已具备执行条件，但未被 CPU 调度，会在就绪队列中等待。

3.1.2 就绪态 → 执行态

• 触发条件：内核调用调度（sched）算法，选中就绪队列中的进程，为其分配 CPU 时间片，进程进入执行态。

3.1.3 执行态 → 就绪态

触发以下任一条件，进程会从执行态回到就绪态：

3.1.4 执行态 → 睡眠态

• 触发条件：进程因等待资源 / 事件主动放弃 CPU（如读文件、网络请求）；
• 可中断睡眠（睡眠态）：等待键盘输入等场景，可被信号唤醒，回到就绪态；
• 不可中断睡眠（挂起态）：等待磁盘 IO 完成（如写入大文件），不响应信号（避免 IO 中断导致数据损坏），IO 完成后自动回到就绪态。

3.1.5 执行态 → 暂停态

• 触发条件：进程收到 SIGSTOP（暂停）、SIGTSTP（终端暂停）信号。

3.1.6 终止 → 僵尸态 → 死亡态

3.2 进程的状态转换图

4. fork函数

4.1 作用

• 用于产生一个新的子进程

4.2 接口规范

4.3 调用触发流程

• 为子进程分配唯一的PID，并将子进程的PPID（父进程 ID）设置为当前父进程的 PID。
• 复制父进程的进程控制块（PCB），包含进程状态、优先级、文件描述符、信号掩码等核心信息。
• 基于写时复制机制，建立父子进程的内存映射关系（非立即拷贝物理内存，只有当其中一方修改数据时才会实际复制，以提升效率）。
• 将子进程加入就绪队列，等待 CPU 调度执行。

4.4 两次返回特性

• 在父进程中，返回子进程的PID，父进程可以通过这个返回值来管理子进程。
• 在子进程中，返回0，子进程可以通过 getpid() 获取自身 PID，通过 getppid() 获取父进程 PID。
• 如何fork函数调用失败，则返回-1。

4.5 父子进程的异同点

4.5.1 完全相同的属性（子进程是父进程的 “复制品”，在子进程创建之初时）

• 实际 UID 和 GID，以及有效 UID 和 GID
• 所有环境变量
• 进程组 ID 和会话 ID
• 当前工作路径（除非用 chdir() 修改）
• 打开的文件描述符
• 信号响应函数
• 整个内存空间（栈、堆、数据段、代码段、标准 IO 缓冲区等）

4.5.2 不同的属性

• 进程号（PID）：父子进程 PID 唯一，是进程的 “身份证号”。
• 记录锁：父进程对文件加的锁，子进程不会继承。
• 挂起的信号：父进程中 “悬而未决” 的信号，子进程不会继承。

4.6 核心注意事项

4.7 代码演示

4.7.1 示例代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

// 全局变量
int g_num2 = 123;

// 静态全局变量
static int num4 = 100;

int main()
{
// 局部变量
int num1 = 10;

// 静态局部变量
static int num3 = 111;

// 堆区
int* num5 = (int*)malloc(4);
*num5 = 1000;

pid_t pid = fork();
if (pid < 0)
{
perror("fork fail");
return –1;
}

// 子进程
if (pid == 0)
{
num1++;
printf("num1=%d, &num1 = %p\\n",num1, &num1);
g_num2++;
printf("g_num2=%d, &g_num2 = %p\\n",g_num2, &g_num2);
num3++;
printf("num3=%d, &num3 = %p\\n",num3, &num3);
num4++;
printf("num4=%d, &num4 = %p\\n",num4, &num4);
(*num5)++;
printf("*num5=%d, num5 = %p, &num5 = %p\\n",*num5, num5, &num5);
printf("我是子进程,pid=%d,ppid=%d\\n",getpid(),getppid());
}

// 父进程
if (pid > 0)
{
sleep(1);
printf("num1=%d, &num1 = %p\\n",num1, &num1);
printf("g_num2=%d, &g_num2 = %p\\n",g_num2, &g_num2);
printf("num3=%d, &num3 = %p\\n",num3, &num3);
printf("num4=%d, &num4 = %p\\n",num4, &num4);
printf("*num5=%d, num5 = %p, &num5 = %p\\n",*num5, num5, &num5);
printf("我是父进程,pid=%d,ppid=%d\\n",getpid(),getppid());
}

while(1)
{

}
}

4.7.2 运行结果

4.7.3 结论

• 子进程创建时，会完整拷贝父进程的栈数据、堆数据、全局数据、静态数据及代码段；
• 父子进程的内存空间相互独立，修改各自数据不会影响对方；
• 父子进程中变量的虚拟内存地址可以相同，但物理内存地址不同；
• 虚拟内存与物理内存的映射规则：
• 每个进程拥有独立的虚拟内存空间，代码中访问的变量地址均为虚拟地址，而非物理内存；
• 写时复制机制：子进程创建后，变量在未被修改时（未进行写操作），通常父子进程共享一份物理内存的映射表，这个时候，父子进程中变量对应的实际物理内存是相同的；如果其中一方需要改变数据（进行写操作），这个时候操作系统才会真正的改变物理内存，但是其虚拟内存地址依旧是相同的。
• 为保证父子进程代码执行逻辑一致，二者的虚拟内存地址设计为相同。

4.8 fork和vfork的区别

5. exec函数簇

5.1 接口规范

功能：在进程中加载新的程序文件或者脚本，覆盖原有代码，重新运行

5.2 参数格式要求

被加载的文件的参数列表必须以自身名字为开始，以 NULL 为结尾。

例如，加载当前目录下 a.out 并传参 "abcd"：

execl("./a.out", "a.out", "abcd", NULL);

或用数组方式：

const char *argv[3] = {"a.out", "abcd", NULL};
execv("./a.out", argv);

5.3 执行后行为

exec 函数族执行成功后，原有程序代码会被新文件 / 脚本完全覆盖，后续代码不会执行，且函数不会返回。

只有在执行失败时，才会返回 -1，继续执行后续代码。

6. exit和_exit区别

6.1 exit执行流程

• 1、调用atexit注册退出处理函数。
• 2、刷新并关闭所有打开的标准IO流。
• 3、删除创建的临时文件（tmpfile函数）。
• 4、调用exit进入内核态,进程终止,同时将status（子进程的退出值）传递给父进程。

6.2 _exit执行流程:

• 1、直接触发内核态的系统调用，跳过所有用户态下的清理步骤。
• 2、内核负责关闭进程所有打开的文件描述符、释放内存资源等。
• 3、向父进程发送信号，传递status值。

6.3 函数exit和_exit的接口规范

7. wait和waitpid区别

7.1 区别

7.2 函数wait和waitpid的接口规范

功能：等待子进程退出，获取其退出状态；可将子进程状态切换为 EXIT_DEAD，以便系统释放资源

7.3 子进程退出状态解析宏

下表中的宏用于解析通过 wait()/waitpid() 获取到的子进程退出状态：

7.4 重点

8. 进程组、对话期、终端

8.1 进程组

• 1、由一个或多个共享进程组ID（PGID）的进程组成的集合
• 2、创建进程组的进程其PID = PGID，即使组长进程终止，进程组依然存在，直到组内所有进程全部结束。
• 3、一个进程只能属于一个进程组。

8.2 对话期（会话期）

• 1、一个或多个进程组的集合，会话由首进程创建，会话内所有进程共享一个控制终端。
• 2、创建会话的进程，其PID = 会话ID（SID），该进程不能是其他进程组的组长。
• 3、一个会话包含多个进程组，进程组又分为前台进程组和后台进程组。
  • ①：前台进程组与控制终端关连，能够接收终端输入和信号。
  • ②：后台进程组不与控制终端直接交互，通常不受终端信号影响。
• 4、只有非进程组组长的进程（组员进程）才能创建新会话，如果创建会话的进程是组长则创建失败。
• 5、一个会话最多只能绑定一个控制终端，它俩是一对一的关系。

8.3 终端

• 1、在Linux中的终端其实就是一个字符设备文件，作为进程与用户交互的接口，分为控制终端和非控制终端。
• 2、一个会话最多关联一个控制终端，由会话首进程打开。
• 3、控制终端的进程组ID指向当前前台进程组，终端输入的信号会发送给前台进程组。
• 4、当关闭控制终端时，内核会向前台进程组发送信号（SIGHUP）。