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进程相关知识点

1. 进程的含义

进程是一个正在执行的程序实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

关键点：

• PCB（Process Control Block）：进程控制块，Linux中实现为task_struct结构体

• 包含信息：

  • PID（进程标识符）

  • 当前工作路径（可通过chdir改变）

  • umask（文件创建掩码，默认0002）

  • 进程打开的文件列表

  • 信号处理设置

  • 用户ID、组ID

  • 进程资源上限（ulimit -a查看）

2. 进程与程序的区别

关系：

• 一个程序可运行多次→多个进程

• 一个进程可运行一个或多个程序

3. 进程的内存分布

0-3GB：用户空间（进程私有） 3-4GB：内核空间（所有进程共享）

• 使用虚拟地址空间，通过MMU映射到物理内存

• 1页 = 4KB

4. 进程状态

基本三态：

1. 就绪态→运行态→阻塞态

Linux扩展状态：

• R：运行态（运行或就绪）

• S：可中断睡眠态（等待事件）

• D：不可中断睡眠态（等待I/O）

• T：停止态（暂停）

• Z：僵尸态（进程终止但资源未回收）

• X：结束态

5. 进程调度与上下文切换

• 内核核心功能：进程调度

• 调度算法：RR（时间片轮转）、FIFO等

• 宏观并行：多个进程"同时"运行

• 微观串行：单个CPU同一时间只执行一个进程

• 上下文切换：保存当前进程状态，恢复另一进程状态

6. 进程相关命令

# 1. 查看进程信息 ps aux ps -ef # 2. 动态查看进程 top htop # 3. 终止进程 kill -信号 PID killall -信号 进程名 # 常用信号 kill -2 PID # SIGINT（中断，同Ctrl+C） kill -15 PID # SIGTERM（终止，默认） kill -9 PID # SIGKILL（强制终止）

7. 进程创建（fork）

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

特点：

• 一次调用，两次返回

• 父进程返回子进程PID（>0）

• 子进程返回0

• 失败返回-1

子进程继承：

• 父进程的0-3G用户空间副本

• 父进程的PCB副本（PID不同）

• 文件描述符表

• 从fork()后开始执行

示例：

// 一次fork生成2个进程（父子关系） fork(); // 两次fork生成4个进程 fork(); // 生成父子2个进程 fork(); // 每个进程再fork，共4个 // 关系：父子、兄弟关系

8. 获取进程信息

pid_t getpid(void); // 获取当前进程PID pid_t getppid(void); // 获取父进程PID

9. 进程终止方式

正常终止：

1. main()中return

2. exit()：C库函数，刷新缓冲区，执行清理函数

3. _exit()/_Exit()：系统调用，不刷新缓冲区

4. 最后一个线程从main返回

5. 最后一个线程调用pthread_exit()

异常终止：

1. abort()：产生SIGABRT信号

2. 收到终止信号（如kill）

3. 最后一个线程被取消

10. exit函数与状态回收

#include <stdlib.h> void exit(int status); // 库函数 void _exit(int status); // 系统调用 // 注册退出处理函数 int atexit(void (*function)(void));

11. 僵尸进程与孤儿进程

• 僵尸进程：子进程终止，父进程未回收（wait）

• 孤儿进程：父进程终止，子进程被init进程收养

12. 进程资源回收

#include <sys/wait.h> // 阻塞等待任意子进程 pid_t wait(int *status); // 更灵活的等待 pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

status处理宏：

WIFEXITED(status) // 是否正常退出 WEXITSTATUS(status) // 获取退出状态 WIFSIGNALED(status) // 是否因信号终止 WTERMSIG(status) // 获取终止信号

waitpid参数：

• pid = -1：等待任意子进程（同wait）

• pid > 0：等待指定PID子进程

• pid = 0：等待同进程组的子进程

• pid < -1：等待指定进程组的子进程

• options = 0：阻塞

• options = WNOHANG：非阻塞

13. exec函数族

功能：用新程序替换当前进程映像

六种变体：

int execl(const char *path, const char *arg, ..., NULL); int execv(const char *path, char *const argv[]); int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]); int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]); int execlp(const char *file, const char *arg, ..., NULL); int execvp(const char *file, char *const argv[]);

区别：

• 带l：参数列表形式（list）

• 带v：参数数组形式（vector）

• 带p：使用PATH环境变量查找可执行文件

• 带e：可传递环境变量数组

示例：

// 方式1：参数列表 execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 方式2：参数数组 char *args[] = {"ls", "-l", NULL}; execv("/bin/ls", args); // 方式3：使用PATH查找 execlp("ls", "ls", "-l", NULL);

14. system函数

#include <stdlib.h> int system(const char *command);

内部实现：fork() + exec() + wait()

15. 编程练习示例

练习1：父子进程同时写文件

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <time.h> #include <sys/wait.h> int main() { pid_t pid = fork(); if (pid > 0) { // 父进程 FILE *fp = fopen("1.txt", "a"); for (int i = 0; i < 5; i++) { time_t now = time(NULL); fprintf(fp, "父进程 PID=%d 时间:%s", getpid(), ctime(&now)); fflush(fp); sleep(1); } fclose(fp); wait(NULL); // 等待子进程 } else if (pid == 0) { // 子进程 FILE *fp = fopen("1.txt", "a"); for (int i = 0; i < 5; i++) { time_t now = time(NULL); fprintf(fp, "子进程 PID=%d 时间:%s", getpid(), ctime(&now)); fflush(fp); sleep(1); } fclose(fp); } return 0; }

练习2：waitpid指定回收进程

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <sys/wait.h> int main() { pid_t pids[3]; for (int i = 0; i < 3; i++) { pids[i] = fork(); if (pids[i] == 0) { sleep(rand() % 3); // 子进程睡眠随机时间 printf("子进程 %d 退出\n", getpid()); exit(i); // 退出状态为i } } // 父进程：指定回收第二个子进程 int status; pid_t ret = waitpid(pids[1], &status, 0); if (ret > 0 && WIFEXITED(status)) { printf("回收进程 %d，退出状态: %d\n", ret, WEXITSTATUS(status)); } // 非阻塞回收其他进程 while (1) { pid_t ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); if (ret > 0) { printf("非阻塞回收进程 %d\n", ret); } else if (ret == 0) { // 还有子进程运行 sleep(1); } else { // 所有子进程已回收 break; } } return 0; }

作业：父子进程文件通信

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/wait.h> int main() { pid_t pid = fork(); if (pid > 0) { // 父进程：写数据 FILE *fp = fopen("data.txt", "w"); char buf[256]; while (1) { printf("输入内容(quit退出): "); fgets(buf, sizeof(buf), stdin); buf[strlen(buf)-1] = '\0'; // 去掉换行符 fprintf(fp, "%s\n", buf); fflush(fp); if (strcmp(buf, "quit") == 0) break; } fclose(fp); wait(NULL); // 等待子进程 } else if (pid == 0) { // 子进程：读数据 sleep(1); // 等待父进程先写 FILE *fp = fopen("data.txt", "r"); char buf[256]; while (1) { if (fgets(buf, sizeof(buf), fp) != NULL) { buf[strlen(buf)-1] = '\0'; printf("子进程读取: %s\n", buf); if (strcmp(buf, "quit") == 0) break; } usleep(100000); // 100ms } fclose(fp); } return 0; }

16.重要概念总结

1. 并发vs并行：

   • 并发：多个进程交替执行（单核）

   • 并行：多个进程同时执行（多核）

2. 进程分类：

   • 交互式进程（shell、编辑器）

   • 批处理进程（shell脚本）

   • 守护进程（后台服务）

3. 原语操作：

   • fork、exec、wait等是不可分割的原子操作

4. 进程关系：

   • 父子进程、兄弟进程

   • 进程组、会话

5. 资源管理：

   • 避免僵尸进程（及时wait）

   • 避免孤儿进程（合理设计进程关系）

   • 文件描述符继承与关闭