当前位置:首页>Linux>Linux 进程概念总结与完善

Linux 进程概念总结与完善

  • 2026-10-11 07:36:37
Linux 进程概念总结与完善

Linux 进程概念总结与完善

1. 冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构主要由四部分组成:

组成部分
作用
输入设备
向计算机输入数据,例如键盘、网卡
输出设备
输出计算结果,例如显示器、网卡
存储器
这里主要指内存
中央处理器 CPU
负责取指令、分析指令、执行指令

核心理解:

CPU 不直接和外设打交道,CPU 主要和内存打交道。

原因是外设速度太慢,而 CPU 速度很快。如果 CPU 直接等待磁盘、键盘、网卡等外设,会严重降低整机效率。因此,数据通常先从外设加载到内存,再由 CPU 从内存读取。

所以程序运行的基本过程是:

磁盘中的可执行程序        ↓加载到内存        ↓CPU 从内存中读取指令和数据        ↓执行程序

可以这样理解:

输入设备 / 磁盘 / 网卡        ↓      内存        ↓       CPU        ↓      内存        ↓输出设备 / 磁盘 / 网卡

2. 操作系统 OS 的本质

操作系统是一个进行 软硬件资源管理 的软件。

它向下管理硬件资源,向上为用户和应用程序提供稳定、安全、高效的运行环境。

可以总结为:

操作系统是什么?管理软硬件资源的软件。为什么需要操作系统?为了让计算机资源被安全、高效、稳定地使用。操作系统怎么管理?先描述,再组织。

3. 管理的核心思想:先描述,后组织

操作系统并不是直接“面对面”管理硬件或者进程,而是管理它们对应的数据。

这就是你笔记里非常重要的一句话:

管理的本质是对数据做管理。

操作系统管理任何对象,一般都是两步:

1. 先描述:用结构体描述对象的属性2. 后组织:用链表、队列、树等数据结构组织这些对象

例如管理学生:

struct Student{    int id;    string name;    int age;};

然后用链表、数组、树等数据结构组织学生对象。

操作系统管理进程也是类似的:

struct task_struct{    pid_t pid;    long state;    int prio;    struct mm_struct* mm;    struct files_struct* files;    struct task_struct* parent;};

所以:

管理进程本质上就是管理进程对应的 PCB。

4. 系统调用接口

操作系统需要保护自己,不能让用户程序随便访问内核空间和硬件资源。

因此,用户程序不能直接进入操作系统内部,只能通过操作系统提供的接口访问资源。

整体结构可以理解为:

用户 ↓Shell / C库 / 图形界面 ↓系统调用接口 ↓操作系统内核 ↓驱动 ↓硬件

例如:

用户行为
本质
ls
shell 启动一个可执行程序
printf
C 库函数,最终可能调用 write
open
系统调用,打开文件
fork
系统调用,创建进程
exec
系统调用,程序替换
wait
系统调用,回收子进程

操作系统的原则可以总结为:

OS 不相信任何用户程序。用户程序必须通过系统调用访问系统资源。

5. 进程的概念

5.1 程序和进程的区别

程序是静态的,进程是动态的。

概念
说明
程序
磁盘上的可执行文件,是静态的
进程
程序运行起来之后的状态,是动态的

例如:

磁盘上的 a.out 是程序运行 ./a.out 后,内存中执行起来的 a.out 是进程

更准确地说:

进程 = 内核数据结构 PCB + 程序代码和数据 + 地址空间 + 打开的文件等资源

你笔记中写的是:

进程 == 内核数据结构 + 进程对应的磁盘代码

这个说法适合入门理解,但可以进一步完善为:

进程不是单纯的代码。进程是操作系统对一个正在运行程序的管理实体。它包含 PCB、地址空间、代码、数据、堆、栈、打开文件、信号信息、调度信息等。

5.2 PCB:进程控制块

Linux 中描述进程的核心结构体是 task_struct。

PCB 中保存了进程的各种属性,例如:

字段
含义
pid
进程 ID
state
进程状态
prio
进程优先级
mm
进程地址空间
files
打开的文件
parent
父进程
children
子进程
thread
CPU 上下文
signal
信号相关信息

因此:

操作系统管理进程不是直接管理代码而是管理进程对应的 task_struct。

6. fork 创建子进程

fork() 用来创建子进程。

函数原型:

#include <unistd.h>pid_t fork(void);

返回值:

返回值
含义
> 0
父进程中返回子进程 pid
== 0
子进程中返回 0
< 0
创建失败

典型代码:

pid_t id = fork();if (id == 0){    // 子进程执行这里}else if (id > 0){    // 父进程执行这里}else{    // fork 失败}

重点理解:

fork 之后,父子进程代码共享。但是父子进程有各自独立的执行流。通过 fork 的返回值不同,让父子进程执行不同逻辑。

注意:

fork 后谁先运行,不确定。由操作系统调度器决定。

7. fork 与写时拷贝

fork 之后,父子进程看起来有相同的变量地址,但变量值可以不同。

例如:

int g_val = 100;pid_t id = fork();if (id == 0){    g_val = 1;}else{    g_val = 2;}

父子进程打印 &g_val 可能是一样的,但值不同。

原因是:

C/C++ 打印出来的地址是虚拟地址,不是物理地址。父子进程拥有各自独立的虚拟地址空间。

fork 初期父子进程可以共享物理内存,当某一方尝试修改数据时,操作系统才会真正复制一份物理页。

这叫:

写时拷贝 Copy-On-Write,COW

好处:

减少不必要的内存拷贝,提高 fork 效率。

8. 进程状态

Linux 中常见进程状态如下:

状态
含义
R
Running / Runnable,正在运行或在运行队列中
S
Interruptible Sleep,可中断睡眠
D
Uninterruptible Sleep,不可中断睡眠
T
Stopped,暂停状态
t
Tracing stop,调试暂停
Z
Zombie,僵尸状态
X
Dead,死亡状态,几乎看不到

8.1 R 状态

R 状态不一定表示进程正在 CPU 上运行。

更准确地说:

R 状态表示进程正在运行,或者已经准备好运行,正在运行队列中等待 CPU 调度。

例如计算密集型程序:

while (1){    int a = 1 + 1;}

这种程序通常容易处于 R 状态。


8.2 S 状态

S 状态表示可中断睡眠。

常见于进程正在等待某种事件,例如:

sleep(1);read(fd, buf, size);

例如:

while (1){    printf("hello\n");    sleep(1);}

这个程序大部分时间都在 sleep,所以通常是 S 状态。


8.3 D 状态

D 状态表示不可中断睡眠。

通常发生在进程等待底层 I/O,例如磁盘 I/O、网络文件系统 I/O 等。

特点:

D 状态进程一般不能被 kill -9 立即杀死。

原因是它正在等待内核态的关键 I/O 操作完成。


8.4 T 状态

T 状态表示暂停。

可以使用:

kill -19 pid

暂停进程。

使用:

kill -18 pid

恢复进程。


8.5 Z 状态:僵尸进程

僵尸进程是指:

子进程已经退出,但是父进程还没有读取它的退出状态。

子进程退出后,操作系统不会立即删除它的全部信息,因为父进程可能需要知道:

1. 子进程是否正常退出2. 子进程的退出码是多少

因此,子进程退出后会保留一部分 PCB 信息,等待父进程调用:

wait();waitpid();

进行回收。

如果父进程一直不回收,就会产生僵尸进程。

总结:

僵尸进程不是正在运行的进程。它已经退出,只是 PCB 残留,等待父进程回收。

8.6 孤儿进程

孤儿进程是指:

父进程先退出,子进程还在运行。

此时子进程会被 1 号进程或者系统中的 init/systemd 进程领养。

所以:

孤儿进程最终会被系统接管。僵尸进程需要父进程 wait/waitpid 回收。

9. 进程优先级

进程优先级决定进程被调度的倾向。

注意区分:

优先级:谁先运行、谁后运行的问题。权限:能不能做某件事的问题。

Linux 中可以通过 ps -l 查看进程优先级相关字段:

字段
含义
PRI
priority,系统调度优先级
NI
nice 值,用户可调整的优先级修正值

nice 值范围通常是:

[-20, 19]

规律:

nice 值越小,优先级越高。nice 值越大,优先级越低。

普通用户一般只能调低自己的进程优先级,也就是增大 nice 值。


10. 并发、并行、竞争、独立性

10.1 竞争性

系统资源有限,多个进程想运行,就需要竞争 CPU、内存、磁盘、网络等资源。

资源少,进程多,所以需要调度。

10.2 独立性

进程之间具有独立性。

例如:

QQ 崩溃了,不影响微信继续运行。

这是因为每个进程都有自己独立的地址空间。


10.3 并发

并发是指:

多个进程在一段时间内都在推进。

单核 CPU 上,某一时刻只能运行一个进程,但由于 CPU 切换速度非常快,看起来像多个进程同时运行。


10.4 并行

并行是指:

多个进程在同一时刻真正同时运行。

通常需要多核 CPU 支持。

区别:

概念
说明
并发
一段时间内多个任务交替执行
并行
同一时刻多个任务同时执行

11. 进程切换

CPU 在运行一个进程时,会使用寄存器保存当前进程的临时数据,例如:

寄存器内容
作用
PC / EIP / RIP
下一条要执行的指令地址
SP / RSP
栈顶位置
通用寄存器
保存临时计算数据
FLAGS
保存 CPU 状态信息

但是 CPU 寄存器硬件只有一套,所有进程轮流使用。

当操作系统要从进程 A 切换到进程 B 时,需要:

1. 保存进程 A 的上下文2. 恢复进程 B 的上下文3. 让 CPU 继续执行进程 B

上下文主要包括:

内容
说明
寄存器数据
当前执行现场
程序计数器
下一条指令地址
栈指针
当前栈位置
页表信息
当前地址空间
调度信息
状态、优先级、时间片

所以:

进程切换的本质是上下文保存和上下文恢复。

12. 环境变量

环境变量是 Linux 中保存运行环境信息的键值对。

形式:

KEY=VALUE

常见环境变量:

环境变量
含义
PATH
命令搜索路径
HOME
当前用户家目录
USER
当前用户名
PWD
当前工作目录
SHELL
当前 shell
LANG
语言环境

查看环境变量:

envprintenvecho $PATHecho $HOME

设置环境变量:

export MYVAL=123

删除环境变量:

unset MYVAL

12.1 PATH 的作用

当你输入:

ls

shell 会根据 PATH 环境变量中的路径依次查找 ls 这个可执行程序。

例如:

echo $PATH

可能输出:

/usr/local/bin:/usr/bin:/bin

shell 会在这些目录中查找命令。

所以:

which 命令本质上就是根据 PATH 查找可执行程序。

12.2 本地变量和环境变量

定义本地变量:

aaa=123

这个变量只在当前 shell 内有效,子进程不能继承。

导出为环境变量:

export aaa

或者:

export aaa=123

这样子进程才能继承。

总结:

本地变量:只在当前 shell 内部有效。环境变量:可以被子进程继承。

12.3 main 函数参数

C/C++ 程序可以通过 main 函数接收命令行参数和环境变量。

int main(int argc, char* argv[], char* env[]){    return 0;}

含义:

参数
含义
argc
命令行参数个数
argv
命令行参数表
env
环境变量表

例如:

./a.out -a -b

对应:

argc = 3argv[0] = "./a.out"argv[1] = "-a"argv[2] = "-b"

13. 程序地址空间

程序运行时,进程看到的地址不是物理地址,而是虚拟地址。

一个典型进程地址空间可以分为:

高地址----------------命令行参数和环境变量栈区共享库映射区堆区未初始化数据区 bss已初始化数据区 data代码区 text----------------低地址

不同区域的作用:

区域
保存内容
代码区
程序指令
字符串常量区
常量字符串
已初始化数据区
已初始化全局变量、静态变量
未初始化数据区
未初始化全局变量、静态变量
堆区
malloc/new 申请的空间
栈区
局部变量、函数调用栈帧
环境变量区
环境变量和命令行参数

13.1 虚拟地址空间的意义

虚拟地址空间有三个重要作用:

第一,保护内存安全

进程不能直接访问物理内存,必须经过页表映射。

如果访问非法地址,操作系统可以检测到,并触发段错误。

虚拟地址 + 页表 = 内存访问保护

第二,保证进程独立性

每个进程都有自己的虚拟地址空间。

即使两个进程打印出来的虚拟地址相同,它们映射到的物理内存也可能不同。

这就是为什么 fork 后父子进程可以拥有相同地址,但数据互不影响。


第三,给程序统一视角

编译器在编译程序时,不需要关心程序最终被加载到物理内存的哪个位置。

它只需要按照统一的虚拟地址空间布局进行编译。

这样程序的编译、链接、加载都会更方便。


14. 页表

虚拟地址不能直接访问物理内存,需要通过页表进行转换。

虚拟地址   ↓页表映射   ↓物理地址

页表不仅负责地址转换,还负责权限检查。

例如:

权限
说明
可读
是否允许读取
可写
是否允许写入
可执行
是否允许执行

所以页表的作用可以总结为:

1. 虚拟地址到物理地址的映射2. 内存访问权限检查3. 支持进程独立性4. 支持写时拷贝

15. 这章的核心主线

你这章笔记可以浓缩成一条主线:

CPU 只和内存直接打交道        ↓程序必须加载到内存才能运行        ↓程序运行起来就是进程        ↓操作系统通过 PCB 描述进程        ↓通过数据结构组织 PCB        ↓进程运行时有状态、优先级、地址空间、环境变量等属性        ↓进程切换本质是上下文保存和恢复        ↓虚拟地址空间保证进程独立性和系统安全

16. 面试/复习版重点

必须掌握

1. 程序和进程的区别2. PCB 是什么3. fork 的返回值4. fork 后父子进程如何分流5. 写时拷贝是什么6. 僵尸进程和孤儿进程区别7. R/S/D/T/Z 状态含义8. 进程优先级和 nice 值9. 环境变量 PATH/HOME/PWD/USER 的作用10. 虚拟地址空间的作用11. 页表的作用12. 进程切换为什么要保存上下文

推荐背诵版

进程是程序运行起来后的动态实体。在 Linux 中,操作系统通过 task_struct 描述一个进程,其中包含 pid、状态、优先级、地址空间、打开文件、父子关系、上下文等信息。操作系统管理进程,本质上是先用 PCB 描述进程,再用链表、运行队列、等待队列等数据结构组织 PCB。fork 用于创建子进程。fork 之后父子进程代码共享,但执行流独立。父进程返回子进程 pid,子进程返回 0。父子进程拥有独立的虚拟地址空间,修改数据时会触发写时拷贝。进程状态包括 R、S、D、T、Z 等。R 表示正在运行或在运行队列中;S 表示可中断睡眠;D 表示不可中断睡眠;T 表示暂停;Z 表示僵尸状态。虚拟地址空间的作用是保护内存安全、保证进程独立性,并为编译器和程序提供统一的地址视角。

17. 你原笔记中建议完善的几个点

1. “进程 = 内核数据结构 + 磁盘代码”可以升级

建议改成:

进程 = PCB + 地址空间 + 代码和数据 + 打开的文件 + 信号信息 + 调度信息等资源。

这样更准确。


2. R 状态不要理解成“一定正在运行”

应该理解为:

R 状态 = 正在运行或者已经准备好运行。

只要在运行队列中,也属于 R 状态。


3. 阻塞队列不是全局唯一

可以完善为:

Linux 中通常没有一个统一的阻塞队列。进程等待什么资源,就挂到对应资源的等待队列上。

例如:

等待键盘输入 → 挂到终端相关等待队列等待磁盘 I/O → 挂到磁盘 I/O 相关等待队列等待 socket 数据 → 挂到网络相关等待队列

4. 僵尸进程和孤儿进程要分清

类型
产生原因
是否有害
僵尸进程
子进程退出,父进程不回收
有害,PCB 残留
孤儿进程
父进程先退出,子进程还在运行
通常无害,会被系统领养

5. 环境变量不是“局部变量”

建议区分:

shell 本地变量:只在当前 shell 中有效环境变量:可以被子进程继承

例如:

aaa=123        # 本地变量export aaa     # 变成环境变量

18. 最终一句话总结

这章的核心不是死记命令,而是理解:

操作系统通过“先描述,后组织”的方式管理进程;进程本质上是被操作系统管理起来的运行实体;PCB 描述进程,队列组织进程,调度器选择进程;虚拟地址空间保证进程独立,环境变量影响进程行为,上下文切换实现多进程并发。

最新文章

随机文章