进程管理

进程管理是牵涉多个 linux 的子系统的瓜田李下之地，理解进程管理需要从多个角度理解。

资源容器

进程是程序在运行中的一次实例，是系统资源分配的基本单位，是一个资源容器，容器提供了

• 运行环境维持，依赖提供
• 资源管理：组织、限制、隔离、保护、持久化、迁移
• 生命周期管理，生命周期钩子函数

进程代表了一个应用层程序的实例化对象及其运行的容器。每个进程都有自己的地址空间、文件描述符表、内存映射、栈、寄存器等。在程序的执行中，系统将为进程分配 CPU 资源、为程序许诺一个独立而广阔的虚拟内存空间、并单独管理该程序的 IO 文件描述符资源等等，供程序使用。

任务

进程是一个任务，任务支持并发。并发可以允许操作系统以一定的顺序，先后执行多个不同的任务，并且每个任务仅仅只执行一个较小时间段，例如：40 ms，然后就暂停执行，切换到另一个任务上继续执行。由于这个轮换的时间很短，从而给人一种假象，多个程序仿佛是同时在运行。并发的意义在于可以让多个程序快速交替执行，从而模拟多任务同时运行的假象。

另外，并发是基于调度的。并发依赖于系统对于每个任务的时间片分配，每个任务都有机会被调度，从而完成特定的任务。任务的调度需要采用特定的规则和精心设计的算法，以保证任务的调度公平。

在 Linux 中，进程使用一个 task_struct 来描述，这也是线程的结构体定义。因为在 linux 中，进程和线程都被抽象为一个任务——可调度对象。进程和线程使用一些标志位和变量来加以识别和区分，除此之外，二者几乎一致。

进程结构体往往作为程序的主线程进行调用，在主线程中，程序可以创建额外的子线程，子线程结构体通过指针与主线程的结构体共享一些变量，从而实现在同一个进程中，不同的线程能够访问相同的资源的效果。

struct task_struct {
    pid_t pid;
    long state;
    struct mm_struct *mm;
    struct files_struct *files;
    struct task_struct *parent;
    struct list_head children;
    // ...
    struct sched_entity se;
    struct sched_rt_entity rt;
    // ...
};

属性	进程A（主线程）	线程B（属于A）
mm（内存空间）	共享	共享
files（文件表）	共享	共享
fs（工作目录）	共享	共享
栈	独立	独立
task_struct	独立	独立

内存模型

进程的内存是操作系统许诺的一个虚假空间，分为两个部分，一部分是内核空间，一部分是用户空间，内核空间预先存放了操作系统为用户提供过的一些数据和信息，用户的代码和数据存放在用户空间，用户可以在自己的空间中执行程序，同时也可以通过执行特定的指令，从而触发中断让操作系统介入，进入内核空间中去让操作系统执行内核代码，以使用内核提供的 API 执行更加底层的操作，包括：IO 操作，硬件控制，系统控制等等。

• 栈区，为函数调用提供局部变量空间、保存返回地址，每个线程都有自己的栈空间，内存由操作系统自动维护；
• 堆区，为程序提供动态分配内存（如 malloc, new），内存需要程序员手动管理；

进程拓扑

在 linux 中，所有的进程都是通过其他进程 fork 而来的，由此形成了进程之间的父子派生关系。每个进程都必须要有父进程，即使你看到一个进程是完全 detached 的，其实它也会默认找 1 号进程作为父进程。使用 fork 调用可以创建子进程，子进程默认和父进程位于同一个进程组。

Linux 系统中的所有进程都可以看作一棵以 init（PID 1）为根的树状结构。每个进程都有一个父进程（parent），可以有多个子进程（children）。通过 pstree 命令可以直观地查看进程树结构。所有的进程都是通过其他进程创建而来的（除了 1 号进程），由此形成了进程之间的父子派生关系。使用 fork 系列调用可以创建子进程，子进程默认和父进程位于同一个进程组。

进程组是一个或多个相关进程的集合，通常用于信号的批量管理。每个进程组有一个唯一的进程组 ID（PGID），等于该组组长进程的 PID。进程组常用于 shell 管理前台/后台任务。

会话是一个或多个进程组的集合，通常由用户登录 shell 创建。每个会话有一个会话首进程（Session Leader），会话用于终端控制和作业管理。

孤儿进程与僵尸进程

• 孤儿进程：父进程终止后，子进程未结束，此时子进程会被 init 进程（PID 1）收养。
• 僵尸进程：子进程已结束，但父进程尚未调用 wait/waitpid 获取其状态，子进程会以僵尸状态保留在进程表中，直到父进程处理其退出信息。

进程在 VFS 中的虚拟文件

每个进程在 /proc/[pid]/ 下有一组虚拟文件：

文件名	含义
/proc/[pid]/status	进程状态和信息
/proc/[pid]/cmdline	启动命令
/proc/[pid]/fd/	打开的文件描述符
/proc/[pid]/maps	内存映射信息

生命周期

进程具有从创建到死亡的阶段，特殊地还有睡眠阶段，

生命周期可以使用进程相关的系统调用来进行管理，以 C 函数的形式存在。具体参考系统调用

进程加载

当一个程序被执行时：

1. 将程序的 ELF 文件（Executable and Linkable Format）内容加载到内存中
2. 分配到进程的虚拟地址空间中的相应位置（位置分配由编译器决定）
3. 操作系统为进程创建页表，维护虚拟内存到物理内存的映射逻辑

休眠

阻塞、空转、死锁

• 阻塞：进程因等待 I/O、锁、信号量等进入阻塞状态，CPU 时间片被让出。
• 空转：进程处于无意义的循环等待，浪费 CPU 资源，常见于设计缺陷或 bug。

从操作系统层面，当进程调用阻塞式系统调用时：

1. 进程进入阻塞状态
2. 操作系统不会把 CPU 的时间片分配给这个进程
3. 直到调用结束，进程从阻塞状态重新进入执行状态

常见的阻塞式调用包括：

1. 进程调度和中断

   • 进程本身的调度和中断机制通过阻塞方式实现
   • 这个过程对于进程自身来说是无感知的

2. 阻塞式 IO 调用

   // 阻塞式函数
   read(), write(), sleep(), wait()

3. 锁和同步机制

   • 互斥锁（Mutex）
   • 信号量（Semaphore）

   // 线程互斥锁
   pthread_mutex_t mutex;
   pthread_cond_t cond;
   
   pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
   // 尝试获取互斥锁，如果无法获取则进入阻塞状态
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   // 开始访问被保护的资源
   // ...
   // 释放锁
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   
   // 信号量
   sem_t sem;
   sem_init(&sem, 0, 0); // 初始化信号量为0
   sem_wait(&sem); // 等待信号量

与阻塞不同，空转指的是进程进入无意义的空循环状态，可能通过不断检查条件来等待某个条件的达成。这可能是程序 bug 或刻意设计。在这种状态下，进程处于正常执行状态但不执行有用逻辑，导致 CPU 浪费。

死锁时，锁住的两个或多个进程会被阻塞，然后被操作系统挂起，CPU 占用为 0，这是典型的死锁特征。

死亡