【Linux进程概念】—— 操作系统中的“生命体”，计算机里的“多线程”

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引言导入

在计算机系统的底层架构中，操作系统肩负着资源管理与任务调度的重任。当我们启动各类应用程序时，其背后复杂的运作机制便悄然展开。程序，作为静态的指令集合，如何在系统中实现动态执行？

• 进程，这一关键概念应运而生。
• 进程是程序在操作系统中的一次执行实例，它承载着程序运行所需的系统资源、内存空间、执行状态等关键信息，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。深入剖析进程概念，不仅能让我们洞悉操作系统的核心运行机制，更能为后续学习多线程、并发编程等前沿技术筑牢根基。接下来，让我们一同踏上这场探索进程世界的技术之旅。

冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture）是现代计算机的理论基础，由美籍匈牙利科学家约翰·冯·诺依曼在1945年提出（基于早期科学家如埃克特、莫奇利等人的工作）。这一架构的核心思想是“存储程序”（Stored-Program），即计算机的指令和数据以二进制形式共同存储在同一个存储器中，通过逐条读取指令并按顺序执行来完成任务。

• 我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

关键组成部分

• 运算器（ALU）：负责算术和逻辑运算。
• 控制器（CU）： 指挥其他部件协调工作（如从内存读取指令、解码并执行）。
• 存储器（内存）：存储程序和数据，按地址访问。
• 输入设备（如键盘、鼠标）：将外部信息输入计算机。
• 输出设备（如显示器、打印机）：将计算结果反馈给用户。
• （注：运算器 + 控制器 = 中央处理器CPU）

五大模块的详细功能

• 运算器（ALU, Arithmetic Logic Unit）

负责执行所有算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与、或、非、移位）。 通过寄存器（如累加器）临时存储运算数据。

• 控制器（CU, Control Unit）

指令周期：通过“取指-解码-执行”循环驱动计算机工作： 取指（Fetch）：从内存中读取下一条指令。 解码（Decode）：解析指令含义（如“将数据从地址A加载到寄存器”）。 执行（Execute）：向相关部件（如ALU、内存）发送控制信号完成操作。 通过程序计数器（PC）追踪下一条指令的地址，通过指令寄存器（IR存储当前指令）

• 存储器（Memory）

按地址访问的线性存储空间，存储程序指令和数据。 内存分级：现代计算机扩展为多级存储（寄存器→高速缓存→主存→磁盘），缓解速度与容量矛盾。

• 输入/输出设备（I/O）

通过总线与CPU交互，例如键盘输入数据到内存，或显示器从内存读取结果。

• 总线（Bus）

数据总线：传输指令和数据。 地址总线：指定内存或设备的访问位置。 控制总线：传递控制信号（如读/写、中断请求）。

核心特点

• “存储程序”思想：程序和数据以二进制形式存储在同一个存储器中，计算机通过读取指令逐条执行，无需物理上重新布线（早期计算机的痛点）。
• 顺序执行：CPU按内存中的指令顺序依次执行（除非遇到跳转指令）。
• 共享总线：指令和数据通过同一总线传输，可能导致性能瓶颈（即“冯·诺依曼瓶颈”）。

意义与局限性

• 意义：结束了早期计算机“专用化”的设计模式，使通用计算成为可能，推动计算机小型化与普及。
• 局限性：指令和数据共享总线，导致效率受限。现代计算机通过缓存、多级存储、并行计算（如哈佛结构分离指令与数据总线）等方式优化。

关于冯诺依曼，必须强调几点：

• 这里的存储器指的是内存
• 不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)
• 外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
• ⼀句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

一句话总结

冯·诺依曼体系结构通过“存储程序”和五大模块的协同，定义了计算机如何存储、处理信息，成为现代计算机的基石。

操作系统(Operator System)

大家熟悉的操作系统：

什么是操作系统

操作系统（Operating System，简称 OS）是计算机系统的核心软件，扮演着“管理者”的角色，负责协调硬件资源（如CPU、内存、硬盘等）与软件应用之间的交互，并为用户和应用程序提供简单、高效的使用环境。

任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，⽂件管理，驱动管理）
• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

一句话总结

• 操作系统是一款管理计算机所有软硬件资源的软件

为什么要设计操作系统

• 直接操作硬件的复杂性：普通用户和开发者无法手动管理CPU指令、内存地址等底层细节。
• 资源冲突问题：如果没有操作系统协调，多个程序可能同时争夺同一硬件资源，导致崩溃。
• 效率提升：通过优化资源分配（如内存缓存、磁盘调度算法），最大化硬件性能。

简单来说就是

• 对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 对上，为用户程序（应用程序）提供⼀个良好的执行环境

操作系统的构成

内核（Kernel）

• 操作系统的核心，直接管理硬件和关键资源（如内存、进程）。

类型：

• 宏内核（如Linux）：功能集中在内核中，效率高但复杂度高。
• 微内核（如QNX）：仅保留核心功能，其他服务以模块形式运行，稳定性强。

系统服务层

• 提供文件管理、网络通信、设备驱动等基础服务。例如：Windows的服务管理器（Services.msc）、Linux的守护进程（Daemon）。

用户界面（Shell）

• 用户与系统交互的入口，如Windows资源管理器、macOS的Finder。

应用程序接口（API）

• 供开发者调用的标准化接口，例如：Windows的Win32 API、Linux的POSIX标准。

操作系统的定位

• 在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：⼀款纯正的“搞管理”的软件

如何理解"管理"?

在生活中，所有的管理，无论是校长管理学生，老板管理员工，还是政府管理公民，都离不开一句话 —— 先描述，再组织！

就拿校长管理学生的例子来说，校长可以先对每个学生进行全面的描述，一个学生的姓名，学号，性别，年龄，籍贯，紧急联系人，入学年份，毕业年份，高考成绩，绩点，学分，在学校的职位，体测情况，各科成绩…

有了所有学生的描述后，将这些学生组织起来，比如分为班级，学院，宿舍等… 进行统一的管理

站在计算机的角度

• 操作系统就是校长，即管理者
• 各种软硬件资源就是学生，即被管理者

操作系统对软硬件的管理，也遵循着 先描述，再组织！，即操作系统将各种软硬件通过各自的结构体进行描述，再将这些结构体统构成一个全局的双链表，即操作系统对软硬件的管理就转换成了对链表的增删查改！

一句话总结

计算机管理软硬件

• 描述起来，用struct结构体
• 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

操作系统的核心功能

系统的核心功能是管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户和应用程序提供高效、安全且易用的环境。

资源管理：协调硬件与软件资源

处理器（CPU）管理

• 任务调度：通过算法（如轮转调度、优先级调度）决定哪个进程使用CPU，平衡响应时间和效率。
• 多任务处理：在单核上通过时间片轮转“模拟”并行，或在多核上真正并行执行任务。

内存管理

• 分配与回收：为程序分配内存空间，释放不再使用的内存（如关闭程序后）。
• 虚拟内存：利用磁盘空间扩展物理内存，允许运行比实际内存更大的程序。
• 内存保护：防止程序越界访问其他进程的内存（避免崩溃或安全漏洞）。

设备管理

• 驱动程序：为不同硬件（如打印机、显卡）提供统一接口，简化操作。
• I/O调度：优化外设访问顺序（如电梯算法减少磁盘寻道时间）。

存储管理（文件系统）

• 文件组织：以目录树形式管理数据，用户无需关心物理存储位置。
• 磁盘空间分配：跟踪空闲区块，高效分配文件存储空间。

用户接口：提供人机交互方式

图形界面（GUI）

• 例如：Windows的桌面、macOS的访达，用户通过点击图标、拖拽文件操作。

命令行界面（CLI）

• 例如：Linux的Terminal，输入命令（如ls、cp）直接控制系统。

应用程序接口（API）

• 开发者调用系统功能（如“打开摄像头”），无需重写底层代码。

抽象与简化：隐藏硬件复杂性

硬件抽象层（HAL）

• 将硬件差异（如不同厂商的CPU指令）封装成统一指令，实现跨设备兼容。
• 例如：游戏开发者调用DirectX API，无需为每款显卡单独适配。

系统调用（System Call）

• 提供标准接口供程序请求服务（如读写文件、创建进程）。

多任务与进程管理

进程与线程

• 进程：独立运行的程序实例（如同时打开两个浏览器窗口）。
• 线程：进程内的子任务（如浏览器同时下载文件和渲染页面）。

进程同步与通信

• 协调多个进程访问共享资源（如信号量、互斥锁）。
• 例如：防止两个程序同时修改同一文件导致数据损坏。

安全与权限控制

用户身份验证

• 登录密码、指纹识别等确保合法用户访问。

访问控制列表（ACL）

• 限制用户或程序对文件、设备的操作权限（如只读、不可执行）。

沙箱机制

• 隔离高风险程序（如浏览器插件），防止其破坏系统。

错误检测与容错

异常处理

• 捕获硬件错误（如内存溢出）或软件崩溃，避免系统宕机。

日志记录

• 记录系统事件（如错误、用户操作），便于故障排查。

操作系统的核心功能本质是让复杂变得简单，用户无需理解硬件细节即可高效使用计算机，同时确保资源公平、安全地服务于所有任务。

库函数和系统调用

• 在开发角度，操作系统对外会表现为⼀个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库函数，就很有利于更上层用户或者开发者进行⼆次开发。

核心定义

交互关系

库函数调用系统调用的方式

1. 直接封装
   • 示例：fopen() → open()
2. 间接组合
   • 示例：printf() → 格式化数据 → write()

系统调用的独立性

• 可通过汇编直接调用（如Linux汇编调用exit()）
• 实际开发中通常通过库函数间接调用

典型示例

关键设计差异

系统调用的限制

• 安全性：受严格权限控制（如普通用户无法调用reboot()）
• 易用性：隐藏底层细节（如printf()自动类型转换）
• 跨平台：通过适配不同系统调用实现"一次编写，多处编译"

总结：两者协作的意义

1. 效率与安全平衡：高频操作用户态处理，敏感操作内核态管控
2. 抽象层级分离：开发者友好接口 vs 硬件直接控制
3. 生态兼容性：屏蔽系统差异，提升代码可移植性

库函数与系统调用对比指南

基础对比表（单层结构）

快速记忆表格（高亮关键区别）

那在还没有学习进程之前，就问大家，操作系统是怎么管理进行进程管理的呢？很简单，先把进程描 述起来，再把进程组织起来

进程概念和查看

进程是操作系统中资源分配和调度的基本单位，是计算机程序运行的实例化体现。

• 课本概念：程序的⼀个执行实例，正在执行的程序等
• 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

进程控制块 — PCB

进程的描述信息被放在⼀个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。课本上称之为PCB（process control block）

在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct，task_struct是PCB的⼀种

• task_struct是Linux内核的⼀种数据结构，它会被装载到RAM(内存)⾥并且包含着进程的信息。

Linux下的task_struct

内容分类：

• 标识符: 描述本进程的唯⼀标识符，用来区别其他进程。
• 状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。
• 优先级: 相对于其他进程的优先级。
• 程序计数器: 程序中即将被执行的下⼀条指令的地址。
• 内存指针: 包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
• 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据[要加图CPU，寄存器]。
• I/O状态信息: 包括显⽰的I/O请求,分配给进程的I∕O设备和被进程使用的文件列表。
• 记账信息: 可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。

进程标识信息

pid_t pid;             // 进程ID
pid_t tgid;            // 线程组ID（主线程PID）
struct task_struct *group_leader; // 线程组领导者

进程状态管理

volatile long state;    // 进程状态
/* 典型状态值：
   TASK_RUNNING    (0)  可运行
   TASK_INTERRUPTIBLE (1) 可中断睡眠
   TASK_UNINTERRUPTIBLE (2) 不可中断睡眠
   __TASK_STOPPED  (4)  停止状态
   EXIT_DEAD       (16) 终止状态 */

进程调度相关

int prio;              // 动态优先级
int static_prio;       // 静态优先级（nice值映射）
const struct sched_class *sched_class; // 调度器类指针
struct sched_entity se; // CFS调度实体

虚拟内存管理

struct mm_struct *mm;  // 内存描述符（用户空间）
struct mm_struct *active_mm; // 活跃内存描述符（内核线程使用）

文件系统

struct files_struct *files; // 打开文件表
struct fs_struct *fs;       // 根目录/工作目录信息

进程信号处理

struct signal_struct *signal; // 信号处理结构体
struct sighand_struct *sighand; // 信号处理函数表
sigset_t blocked;       // 被阻塞信号掩码

进程关系

struct task_struct *real_parent; // 实际父进程（fork创建者）
struct task_struct *parent;      // 法定父进程（接收SIGCHLD）
struct list_head children;       // 子进程链表
struct list_head sibling;        // 兄弟进程链表

时间统计

u64 utime;        // 用户态CPU时间（纳秒）
u64 stime;        // 内核态CPU时间
struct task_cputime cputime_expires; // CPU时间限制

组织进程 可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

查看系统中的进程

基本命令与工具 ps 命令（Process Status）静态快照显示当前进程信息。

ps aux       # 查看所有用户的所有进程（BSD风格）
ps -ef       # 全格式显示进程（System V风格）
ps -u root   # 查看指定用户（如root）的进程
ps -p 1234   # 查看特定PID（如1234）的进程

输出字段：

• PID：进程ID
• USER：进程所有者
• %CPU/%MEM：CPU和内存占用率
• STAT：进程状态（如 R=运行, S=睡眠, Z=僵尸）
• COMMAND：启动进程的命令

例如：（只截取了一部分进程）

[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps aux
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.2 191052  4084 ?        Ss   Jan14   0:34 /usr/lib/systemd/systemd --switch
root         2  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:00 [kthreadd]
root         4  0.0  0.0      0     0 ?        S<   Jan14   0:00 [kworker/0:0H]
root         5  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:08 [kworker/u4:0]
root         6  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:00 [ksoftirqd/0]
root         7  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:00 [migration/0]

top / htop命令，动态实时监控进程资源占用。

例如：top命令

在这里插入图片描述

例如：（有些系统下可能没有预装htop命令，需要手动下载）

Centos下：

sudo yum install -y htop

htop命令

关键操作：

• 按 P（CPU排序）、M（内存排序）、k（终止进程）。
• htop 支持直接展开线程（按 F2 配置显示项）。

pstree命令以树形结构显示进程父子关系。

pstree -p    # 显示PID
pstree -A    # 用ASCII字符简化显示

例如： pstree -p命令

例如： pstree-A命令

查看进程详细信息

进程状态文件（/proc 文件系统）

• 路径：/proc/<PID>/

其中PID是要查看的进程id

cat /proc/PID/status   # 查看进程状态（内存、线程数等）
cat /proc/PID/cmdline  # 查看启动命令的完整参数

例如：

查看PID为1的进程状态，实际上 PID为1的进程是操作系统，Linux下叫做systemd

例如：

同样查看systemd进程的启动命令的完整参数

[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ process]$ cat /proc/1/cmdline
/usr/lib/systemd/systemd--switched-root--system--deserialize22

根据名称或内容过滤

例如：

ps ajx | grep process #查找过滤叫做process的进程

在这里插入图片描述

[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | grep process
31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process
32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process
32119 32147 32146 32119 pts/1    32146 S+    1000   0:00 grep --color=auto process

结合head命令将头一行提取出来

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep process

[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep process
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process
32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process
32119 32151 32150 32119 pts/1    32150 S+    1000   0:00 grep --color=auto process

也可以根据进程的PID进行过滤查找

例如：

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 32114

在这里插入图片描述

[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 32114
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
31994 31995 31995 31995 pts/0    32114 Ss    1000   0:00 -bash
31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process
32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process
32119 32155 32154 32119 pts/1    32154 S+    1000   0:00 grep --color=auto 32114

其中过滤出来的 grep --color=auto 32114这个进程，是因为使用grep过滤时，其本身也是一个进程，包含了要过滤进程的信息，所以也会被找出来，如果不想让其显示，可以使用grep -v grep 反向过滤掉。

例如：

[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 32114 | grep -v grep
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
31994 31995 31995 31995 pts/0    32114 Ss    1000   0:00 -bash
31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process
32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process

根据资源占用排序

ps aux --sort=-%cpu | head -10   # 按CPU占用降序显示前10进程
ps aux --sort=-%mem | head -10   # 按内存占用降序显示前10进程

例如：查看CPU占用前10进程

ps aux --sort=-%cpu | head -10 

例如：查看内存占用前10内存

ps aux --sort=-%mem | head -10 

本文小结

拓展阅读： task_struct

本文到这里就结束了，后面的文章我们会展开讲解 进程的更多话题，比如进程状态，进程优先级，进程的调度和切换，进程控制等等… 感谢您的观看！