Linux(进程概念)

目录

冯诺依曼体系

操作系统

进程概念

进程控制

进程状态

环境变量

虚拟地址空间（进程隔离与内存管理的基石）

程序替换

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• 冯诺依曼体系

  • 五大硬件单元
    • 运算器
    • 控制器
    • 存储器
    • 输入设备
    • 输出设备
  • 所有硬件都是围绕内存工作的

• 操作系统

  • 核心目的：高效管理与便捷交互
    • 资源管理：优化硬件与软件的资源分配
    • 提供抽象接口：屏蔽硬件复杂性
    • 保障系统安全与稳定性
    • 提供用户交互界面
  • 定位：计算机系统的管理者与桥梁
    • 如何管理：先描述再组织
  • 库函数与系统调用的关系
    • 系统调用：操作系统提供给用户程序访问内核服务的接口，是用户态程序进入内核态的唯一途径
    • 库函数：封装在标准库或第三方库的函数，用于提供通用功能，可直接被应用程序调用
    • 库函数可能封装系统调用，系统调用通过库函数暴露接口

• 进程概念

  • 正在执行的程序
  • 描述信息
    • 一个程序运行时，从硬盘被加载到内存，操作系统为了能够管理好多个程序运行，因此每个程序的运行信息，通过这个描述信息来管理/控制程序运行，因此对于操作系统来说，进程就是pcb，Linux中pcb是task_sturt结构体
    • task_struct内容
      • 标识符
      • 状态
      • 优先级
      • 程序计数器：即将被执行的下一条指令的地址
      • 内存指针
      • 上下文数据
      • I/O状态信息

• 进程控制

  • 进程创建
    • fork
      • 复制
      • 返回值
    • vfork：创建的子进程直接共享父进程的内存空间，而不是复制
    • 创建一个进程的流程
      • 系统调用入口（fork(),vfork()等）
      • 分配进程控制块（PCB）
      • 资源复制与共享
      • 设置进程状态与调度
      • 返回用户空间
    • 写时拷贝技术：通常情况下，父子代码共享，父子在不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入时，便以写实拷贝的方式各自一份副本
  • 进程终止：指操作系统结束程序执行并释放资源的过程，是进程什生命的最后阶段
    • 进程终止流程
      • 资源释放阶段
      • 向父进程返回状态
      • init进程接管：若父进程在子进程前终止，子进程会被init进程（pid=1）收养
  • 进程等待：用于协调父子进程的执行顺序和资源回收
    • 为什么需要进程等待
      • 如果父进程不等待子进程，子进程会变成僵尸进程，僵尸进程会引起内存泄漏
    • 如何等待
      • 基本接口
        • wait()

          • #include 
            pid_t wait(int *status);

        • waitpid()

          • pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

• 进程状态

  • 状态
    • 运行状态（R）
    • 睡眠状态（S/D）
      • 可中断睡眠（S）
      • 不可中断睡眠（D）
    • 终止状态（Z/X）
      • 僵尸进程（Z）
      • 退出状态（X）
    • 暂停状态（T）
  • 关键转换场景
    • 运行 -> 睡眠：进程发起I/O请求（如read()），进入S直到数据就绪
    • 睡眠 -> 运行：I/O数据准备完成，内核唤醒进程，放入就绪队列等待调度
    • 运行 -> 暂停：调试器通过ptrace系统调用暂停进程，或用户按Ctrl+Z发送SIGTSTP
    • 运行 -> 僵尸：进程执行exit（）或受到无法处理的信号（如SIGKILL），进入Z状态等待父进程回收
  • 僵尸状态
    • 危害：占用PID资源，父进程不回收，会一直存在，导致系统资源浪费
    • 处理方案
      • 父进程调用wait()/waitpid()回收子进程
      • 注册SIGCHLD处理函数，在回调函数中循环调用非阻塞等待
      • 若父进程已终止，子进程被init（PID=1）收养，init会自动回收
  • 孤儿进程
    • 父进程还没wait子进程就释放了，子进程变为孤儿进程
  • 守护进程：长期运行于后台、独立终端控制的系统进程，常用于持续性服务（如Web服务器，数据库服务）

• 环境变量

  • 概念：是操作系统中存储的一系列键值对，用于向进程传递配置信息
  • 常见环境变量
    • PATH：系统查找可执行文件的路径列表
    • HOME：用户主目录路径
    • LANG：系统语言和字符集设置
    • PWD：当前工作目录
    • SHELL：默认shell程序路径
    • USER：当前用户名
  • 环境变量的分类于存储位置
    • 系统级环境变量
      • 作用范围：所有用户和进程
      • 存储位置
        • /etc/environment（全局配置）
        • ~/.bash_profile、~/.bashrc（用户自定义配置）
    • 进程级环境变量
      • 作用范围：仅当前进程及其子进程
      • 查看方式：env或printenv命令
  • 环境变量的操作
    • 查看环境变量

      # 查看所有环境变量
      env
      # 查看特定变量（如PATH）
      echo $PATH

    • 临时设置环境变量（仅当前会话有效）

      # 格式：export 变量名=值
      export MY_VAR="hello world"  # 定义新变量
      export PATH=$PATH:/new/path  # 追加路径到PATH

    • 永久设置环境变量（修改配置文件）

      echo 'export MY_VAR="permanent value"' >> ~/.bashrc
      source ~/.bashrc  # 立即生效

    • 删除环境变量

      unset MY_VAR  # 删除自定义变量

  • 代码中设置/获取环境变量
    • getenv
    • putenv
    • setenv

• 虚拟地址空间（进程隔离与内存管理的基石）

  • 本质：虚拟地址空间是操作系统为每个进程提供独立、连续地址视图，它将进程使用的地址（虚拟地址）与物理内存（物理地址）分离
  • 核心作用
    • 提高内存利用率
    • 增加内存访问控制
    • 保持进程独立性
  • 虚拟地址空间的布局
    • 用户空间（3GB）：进程可直接访问的地址空间
    • 内核空间（1GB）：存储内核代码，数据结构和内核栈
    • 
  • 如何通过虚拟地址找到物理地址
    • 

• 程序替换

  • 功能：替换一个进程正在运行的程序
  • 如何替换：详情点击查看程序替换函数