一、进程基础概念

1.1 进程定义

• 进程是Linux系统调度和资源管理的基本单位
• 内核将进程存放在任务队列的双向循环链表中
• 双向循环链表：可前进、可反向遍历

1.2 进程描述符（task_struct）

• 包含一个具体进程的所有信息
• 内核通过task_struct指针访问和管理进程
• current宏：查找当前正在运行进程的进程描述符
• 硬件体系结构差异：有的用专用寄存器存放指针，有的通过计算偏移间接查找

1.3 进程标识（PID）

• PID是唯一的进程标识符，为int类型
• 默认最大值32768（short int最大值），兼容旧版UNIX/Linux
• 可通过/proc/sys/kernel/pid_max修改上限
• PID最大值决定系统允许同时存在的进程最大数目

1.4 内存分配机制

• slab分配器：预先分配和重复使用task_struct，避免动态分配的资源消耗

二、进程类型

2.1 用户进程

• 由用户启动的应用程序（如浏览器、音乐播放器）

2.2 守护进程

• 后台持续运行的服务程序
• 不依赖用户交互，保证系统或服务正常工作

2.3 批处理进程

• 无需用户实时干预，自动完成一系列任务
• 如定时清理文件、备份数据的脚本

三、进程创建

3.1 创建步骤

1. 初始化PCB，分配有效PID
2. 设置进程优先级和CPU时间片
3. 为进程分配内存空间
4. 加载任务到内存，复制进程代码
5. 设置进程状态为就绪态
6. 将PCB放入进程队列

3.2 进程队列管理

• 操作系统将PCB放入队列，新进程放队尾
• 进程执行完后从队列中剔除

四、进程队列

4.1 运行队列

• 可运行状态进程的双向循环链表
• 内核从中选择进程在CPU上运行

4.2 等待队列

• 睡眠状态进程放入等待队列
• 基于双循环链表的数据结构
• 用于实现核心的异步事件通知机制

五、进程状态

5.1 五种基本状态

5.2 状态转换流程

就绪态 → 运行态 → 睡眠态（可中断/不可中断）→ 就绪态 → 运行态 → 僵尸态 → 销毁

5.3 进程查看命令

• ps -aux：查看进程状态
• STAT字段含义：R(运行)、S(睡眠)、D(不可中断睡眠)、Z(僵尸)、T(停止)
• 组合状态：S+(前台睡眠)、Sl(多线程睡眠)、Ss(会话首进程睡眠)等

六、进程调度

6.1 基本概念

• 按一定调度策略让进程取得CPU执行权
• 增加系统的实时性和交互性

6.2 时间片机制

• 系统分配给每个进程的运行时间段
• 定时器中断处理程序对时间片递减
• 时间片用尽：进程挂起，调度新进程
• 时间片结束前阻塞或结束：CPU当即切换

6.3 多任务模式

• 抢占式多任务：由调度程序决定何时停止进程（Linux采用）
• 非抢占式多任务：进程主动让出CPU

七、虚拟内存

7.1 基本概念

• 将系统硬盘空间和实际内存联合供进程使用
• 提供比物理内存大得多的虚拟空间（32位系统为4GB）

7.2 地址空间划分

• 0~3GB：用户空间（用户态进程可直接访问）
• 3~4GB：内核空间（仅内核态进程可直接访问）

7.3 地址映射机制

• 段机制：逻辑地址 → 线性地址，隔离用户数据和系统数据
• 页机制：线性地址 → 物理地址，页大小通常为4KB
• 缺页中断：虚拟地址不在物理内存时，从硬盘调入数据

7.4 特权切换

• 用户态进程通过系统调用和中断进入内核空间

八、进程控制编程

8.1 启动进程

• system()函数：执行外部命令
• exec函数族（6个）：替换当前进程映像
• execl、execv、execle、execve、execlp、execvp

8.2 创建进程

• fork()：创建子进程，复制父进程地址空间
• vfork()：共享父进程地址空间，节省资源
• getpid() / getppid()：获取当前进程ID / 父进程ID

8.3 等待进程

• wait()：等待任意子进程结束
• waitpid()：等待指定子进程结束
• 回收子进程资源，获取退出状态

8.4 终止进程

• 正常终止（5种）：exit、_exit、return、被信号终止等
• 异常终止（3种）：SIGILL、SIGABRT、SIGSEGV、SIGBUS等

8.5 守护进程

• 后台运行，独立于用户终端
• 创建步骤：fork、setsid、重定向标准输入输出、关闭文件描述符

九、进程间同步机制

9.1 文件锁

• 防止多个进程同时操作一个文件
• 关闭描述符、进程终止时锁被释放
• fork产生的子进程不继承父进程锁
• exec后新程序继续执行原程序的文件锁

9.2 线程锁（细粒度控制）

9.3 锁的粒度

• 细粒度：锁定具体数据，提高并发度
• 粗粒度：锁定大范围，编程简单但性能低
• 避免过度锁定，合理设计锁范围

十、进程间通信（IPC）

10.1 通信方式对比

10.2 管道

• 无名管道（Anonymous Pipe）：亲缘进程间，单向，先进先出
• 命名管道（Named Pipe / FIFO）：任意进程间，有文件名
• 标准流管道（Standard Stream Pipe）：基于标准输入输出

10.3 消息队列

• 键值（key）唯一标识消息队列
• API：msgget（创建）、msgsnd（发送）、msgrcv（接收）、msgctl（控制）

10.4 信号

• 产生方式：用户输入、系统事件、程序发送、硬件异常
• 处理方式：默认处理、忽略信号、捕捉信号（自定义处理函数）
• 常用信号：SIGINT、SIGTERM、SIGKILL、SIGSEGV、SIGCHLD、SIGALRM等
• 相关函数：signal()、sigaction()、kill()、raise()、alarm()、pause()、abort()

10.5 信号量

• 操作：P操作（wait/等待）、V操作（signal/释放）
• 控制信号量：初始化（sem_init）
• 操作信号量：等待（sem_wait）、释放（sem_post）
• 销毁信号量：sem_destroy

10.6 共享内存

• 创建：shmget（生成key、创建内存段）
• 连接：shmat（映射到进程地址空间）
• 使用：直接读写内存
• 解除连接：shmdt
• 删除：shmctl（IPC_RMID）
• 同步问题：需配合互斥锁、信号量等机制避免竞争冲突

十一、综合应用要点

• 进程创建 → 调度执行 → 同步互斥 → 通信协作 → 终止回收
• 不同IPC方式的选择依据：数据量、速度要求、进程关系、是否需要跨网络
• 同步机制的核心目标：保证数据一致性，防止竞态条件