网站建设实例下载,长沙旅游景点,黑龙江省城乡和住房建设厅网站,wordpress启用新主题后打不开目录 0.前言 1. 什么是进程 1.1 进程的定义与特性 1.2 进程与线程的区别 2.描述进程 2.1 PCB (进程控制块) 2.2 task_struct 3.查看进程 3.1 查看进程信息 3.1.1 /proc 文件系统 3.1.2 ps 命令 3.1.2 top 和 htop 命令 3.2 获取进程标识符 3.2.1使用命令获取PID 3.2.2 使用C语言… 目录 0.前言 1. 什么是进程 1.1 进程的定义与特性 1.2 进程与线程的区别 2.描述进程 2.1 PCB (进程控制块) 2.2 task_struct 3.查看进程 3.1 查看进程信息 3.1.1 /proc 文件系统 3.1.2 ps 命令 3.1.2 top 和 htop 命令 3.2 获取进程标识符 3.2.1使用命令获取PID 3.2.2 使用C语言程序获取PID 4. 通过系统调用创建进程 4.1 认识 fork 4.2 代码实践 5.小结 图像由AI生成
0.前言
在上一篇博客中我们介绍了冯诺依曼体系结构与操作系统的基本概念深入探讨了计算机是如何执行程序的。本篇博客将继续这一话题聚焦于操作系统的核心概念之一——进程。进程是操作系统管理程序运行的基本单位理解进程的概念有助于深入掌握操作系统的运行机制。
1. 什么是进程
进程是操作系统中最基本的执行单位。它指的是一个已经加载到内存并正在执行的程序实例。进程不仅仅是程序本身还包括程序在运行过程中所需的各种资源如CPU时间、内存空间、文件描述符等。
1.1 进程的定义与特性
从定义上来说进程是一个正在执行的程序的实例。每个程序在运行时至少会生成一个进程不论是用户启动的应用程序还是操作系统后台运行的服务。进程具有以下几个显著特性
动态性程序是静态的文件而进程是程序在系统中运行时的动态实体。操作系统管理进程的调度、暂停和终止保证系统中多个进程能够并发执行。独立性每个进程都有独立的地址空间进程之间无法直接访问彼此的内存。这样的独立性保证了进程的稳定运行避免其他进程的错误或崩溃影响当前进程。并发性操作系统可以让多个进程“同时”运行这种并发性是通过时间分片时间片轮转等调度策略实现的实际上是在CPU快速切换执行不同进程。
1.2 进程与线程的区别
在理解进程的概念时容易与线程混淆。进程和线程虽然都涉及程序的执行但它们有显著的区别
资源分配进程是系统资源分配的基本单位每个进程拥有独立的内存空间和系统资源。而线程是进程中的执行单元多个线程共享同一个进程的资源。调度单位进程是操作系统调度的基本单位系统通过调度进程来实现多任务处理。线程则是进程内部的调度单位线程的调度发生在进程内部。通信方式由于进程之间拥有独立的地址空间它们之间的通信通常需要通过复杂的机制如进程间通信IPC如管道、共享内存等。而线程共享进程的地址空间线程之间的通信较为简单。
2.描述进程
在操作系统中进程的信息被存储在一个数据结构即PCB进程控制块中。这个数据结构包含了进程运行所需的所有关键信息用以管理和调度进程。在Linux系统中这个数据结构被称为task_struct。通过task_struct内核能够全面掌握每个进程的状态、资源以及执行情况。
2.1 PCB (进程控制块)
进程控制块Process Control Block简称PCB是操作系统用于描述和管理进程的关键数据结构。PCB包含了进程的所有属性能够让操作系统跟踪和控制每一个进程的生命周期。在不同的操作系统中PCB的实现略有不同。在Linux中PCB以task_struct结构体的形式存在。
PCB的作用可以理解为进程的属性集合每个进程在创建时系统都会生成对应的PCB。PCB中存储的进程信息包括
进程IDPID用于唯一标识每个进程。进程状态当前进程的运行状态例如运行中、阻塞中或等待中。进程优先级确定进程在调度中的优先顺序。程序计数器存储着进程下一条即将执行的指令地址。CPU寄存器保存进程在暂停时的上下文以便在重新调度时能够继续运行。内存信息包括进程的地址空间和所占用的内存块。I/O设备状态与进程关联的输入输出设备信息。
2.2 task_struct
在Linux操作系统中描述进程的核心数据结构是task_struct。它是一种复杂的结构体包含了与进程相关的所有信息。每个正在运行的进程在内存中都有一个task_struct实例操作系统通过它来跟踪和管理进程。
以下是task_struct的结构体定义的一个简化版本它展示了主要的进程信息字段
struct task_struct {volatile long state; // 进程状态pid_t pid; // 进程IDpid_t tgid; // 线程组IDstruct mm_struct *mm; // 内存管理信息struct task_struct *parent; // 父进程struct list_head children; // 子进程链表unsigned int rt_priority; // 实时优先级unsigned int policy; // 调度策略struct files_struct *files; // 进程打开的文件struct fs_struct *fs; // 文件系统信息// 其他字段省略
};task_struct结构体中的字段可以大致分为以下几类 标识符每个进程都有唯一的进程标识符PID以及线程组IDTGID。这些标识符用于区分进程并用于进程之间的操作。 状态进程的状态由字段state表示。它记录了进程当前是处于运行、就绪、阻塞、终止等状态之一。此外进程的退出代码和退出信号等信息也存储在相关字段中。 优先级rt_priority用于表示实时进程的优先级而policy字段定义了进程的调度策略如实时调度或普通调度。进程的优先级决定了它在调度中的优先程度。 程序计数器进程即将执行的下一条指令的地址通过程序计数器保存保证在进程调度时能够从上次暂停的位置继续执行。 内存指针mm字段指向内存管理结构体mm_struct该结构体包含了与进程相关的内存信息如程序代码段、堆栈、数据段以及与其他进程共享的内存块。 上下文数据task_struct中的寄存器上下文保存了进程暂停时的处理器寄存器内容确保在进程恢复时能够继续之前的计算。 I/O状态信息files字段保存了进程当前打开的文件列表而fs字段则包含了与进程相关的文件系统信息。这些字段提供了进程与I/O设备之间的交互信息。 记账信息进程在运行期间的资源使用情况也会被记录如使用的CPU时间、时钟周期等。系统可以根据这些信息对进程进行资源限制或计费。
task_struct作为Linux内核中核心的进程描述结构体通过合理的分类和管理使得操作系统能够高效地管理进程的生命周期和资源分配。
3.查看进程
在Linux系统中进程是系统运行的基本单位操作系统为每个进程分配唯一的标识符和相关的资源。Linux提供了多种方式来查看系统中正在运行的进程信息方便用户和系统管理员进行管理和调试。
3.1 查看进程信息
Linux系统提供了几种常用的命令和方法来查看进程信息。其中/proc虚拟文件系统是一个非常重要的机制它动态地反映了系统中正在运行的进程和内核状态。除此之外用户还可以使用一些常用命令如ps、top、htop等。
3.1.1 /proc 文件系统
/proc目录是Linux中的一个虚拟文件系统它实时地反映了系统中进程和内核的状态。每个正在运行的进程在/proc目录下都有一个以其进程IDPID命名的子目录。在这些子目录中可以查看与该进程相关的详细信息如内存使用、打开的文件、状态等。
例如查看进程ID为24533的进程状态可以通过以下命令
cat /proc/24533/status 该命令会显示进程的状态信息包括PID、进程状态、内存使用、父进程ID等。/proc文件系统是非常灵活且功能强大的工具适用于查看特定进程的细节。
3.1.2 ps 命令
ps命令是Linux中最常用的查看进程的命令之一。它能够显示当前系统中运行的进程列表及其相关信息。以下是几个常用的ps命令用法
ps -e列出系统中的所有进程。ps -aux详细列出所有进程的信息包括用户、CPU和内存占用、进程ID等。ps -ef显示进程的完整格式包括父进程和子进程的关系。
例如
ps -aux 这条命令会输出系统中所有进程的详细信息如进程ID、进程状态、用户、CPU占用率等。
3.1.2 top 和 htop 命令
top是另一个非常有用的实时进程监控工具它能够动态地显示系统中正在运行的进程并按CPU、内存占用等进行排序。htop是top的增强版提供了更友好的图形界面用户可以更方便地查看和管理进程。
top 该命令会实时显示当前系统的进程和资源使用情况用户可以根据CPU使用率、内存占用等来进行排序和管理。
3.2 获取进程标识符
在Linux系统中进程标识符PID是每个进程的唯一标识用来区分系统中的各个进程。可以通过多种方式获取进程的PID包括使用命令和编写程序代码。
3.2.1使用命令获取PID pidof获取特定程序的进程ID。例如获取bash进程的PID pidof bash 该命令会返回bash进程的PID。 ps通过ps命令结合grep来查找特定进程的PID。例如 ps -aux | grep bash 这条命令会返回与bash相关的所有进程及其PID。
3.2.2 使用C语言程序获取PID
在C语言中可以使用getpid()系统调用获取当前进程的PID同时可以使用getppid()获取父进程的PID。以下是一个简单的C语言代码示例展示如何获取并打印进程的PID和父进程的PID
#include stdio.h
#include unistd.hint main() {pid_t pid, ppid;// 获取当前进程的PIDpid getpid();// 获取父进程的PIDppid getppid();// 打印PID和父进程的PIDprintf(当前进程的PID: %d\n, pid);printf(父进程的PID: %d\n, ppid);return 0;
}编译并运行这段代码后输出如下 通过这段代码可以轻松获取并打印进程的唯一标识符和父进程的标识符。在Linux编程中了解进程的PID是进行进程间通信、管理进程生命周期的重要步骤。
4. 通过系统调用创建进程
在Linux操作系统中进程的创建通常是通过系统调用来完成的。系统调用提供了程序与内核交互的接口fork() 是最常用的创建进程的系统调用之一。
4.1 认识 fork
fork() 系统调用用于创建一个新进程称为子进程。调用fork()时系统会复制当前进程生成一个几乎完全相同的子进程。子进程继承了父进程的所有资源如文件描述符、内存映射等但它有自己独立的进程IDPID。 父进程与子进程的区别fork()的返回值在父进程和子进程中不同。在父进程中fork()返回子进程的PID在子进程中fork()返回0。这使得父进程和子进程可以根据返回值执行不同的代码。 多进程并发通过fork()创建子进程后父子进程会并发执行。操作系统通过调度来分配CPU时间片确保多个进程能够同时运行。
4.2 代码实践
以下是一个简单的C语言示例通过fork()创建子进程并在父子进程中分别输出不同的信息
#include stdio.h
#include unistd.hint main() {pid_t pid;// 调用fork创建新进程pid fork();if (pid 0) {// fork失败fprintf(stderr, fork 失败\n);return 1;} else if (pid 0) {// 子进程执行printf(这是子进程进程ID: %d\n, getpid());} else {// 父进程执行printf(这是父进程进程ID: %d子进程ID: %d\n, getpid(), pid);}return 0;
}输出示例 在这个程序中调用fork()后会创建一个新的子进程父进程和子进程根据fork()的返回值分别执行不同的代码。父进程打印自己的进程ID和子进程的ID而子进程只打印自己的ID。
5.小结
进程是操作系统中最重要的概念之一理解它的基本概念和工作原理有助于更深入地掌握操作系统的运行机制。在Linux中进程通过PCB和task_struct结构体来描述进程的创建可以通过fork系统调用来实现。在后续的博客中我们将继续探讨进程的调度和通信机制。
