Linux进程管理

1. 进程实体

进程（Process） 是正在执行的程序的实例。在Linux操作系统中，进程是操作系统资源分配的基本单位。每个进程在内存中的表示包含以下重要实体：

• 程序计数器（Program Counter, PC）：指示当前进程执行到的指令地址。
• 寄存器：保存进程运行时的临时数据，包括程序计数器、栈指针、基指针等。
• 内存：每个进程拥有独立的虚拟地址空间，包括代码段、数据段、堆栈等。
• 文件描述符（File Descriptor）：进程打开的文件或设备的标识符，每个进程有自己的文件描述符表。
• 进程状态：当前执行状态，包括运行、就绪、阻塞等。
• 进程控制块（Process Control Block, PCB）：Linux为每个进程维护的结构，包含进程ID、状态、优先级、内存映射、文件描述符表等信息。

Linux 特性：

• 每个进程由一个唯一的PID（进程ID）标识。
• /proc 文件系统：Linux通过/proc目录提供进程信息，每个进程在/proc/[PID]目录下有专属的目录，包含其详细状态信息。

2. 五状态模型

Linux进程在生命周期中会经历以下五种主要状态：

1. 新建（New）

• 定义：进程通过系统调用（如fork()）被创建时处于新建状态。
• Linux机制：
  • 分配PCB和所需资源。
  • 初始化内存区域、打开文件表等。
• 状态转换：从新建到就绪。

2. 就绪（Ready）

• 定义：进程已准备好运行，但因CPU被占用，暂时不能执行。
• Linux机制：
  • 就绪队列存储所有等待被调度的进程。
  • 调度程序从队列中选择下一个运行的进程。
• 状态转换：从新建或阻塞到就绪。

3. 运行（Running）

• 定义：进程获得CPU并开始执行指令。
• Linux机制：
  • 调度程序通过分配CPU时间片让进程进入运行状态。
  • 在多核处理器上，多个进程可以同时运行。
• 状态转换：从就绪到运行，或因中断/时间片耗尽回到就绪。

4. 阻塞（Blocked）

• 定义：进程在等待I/O或其他事件时无法继续执行，进入阻塞状态。
• Linux机制：
  • 阻塞队列存储等待的进程。
  • 事件完成时进程被唤醒，回到就绪队列。
• 状态转换：从运行到阻塞，或从阻塞到就绪。

5. 完成（Terminated）

• 定义：进程执行完毕或被终止。
• Linux机制：
  • 操作系统回收进程资源并删除PCB。
  • 子进程的终止状态通过wait()或waitpid()通知父进程。
• 状态转换：从运行到完成。

状态转换示意图

New -> Ready -> Running -> Blocked -> Ready -> Running -> Terminated

3. 进程同步

进程同步用于解决多进程访问共享资源时的竞争问题，确保数据一致性和系统稳定性。

1. 互斥锁（Mutex）

• 定义：确保同一时刻只有一个进程访问共享资源。
• Linux实现：通过pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()控制资源访问。

示例：

pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init(&lock, NULL);
pthread_mutex_lock(&lock);
// 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&lock);

2. 信号量（Semaphore）

• 定义：信号量控制资源的可用数量，支持多个进程同步访问。
• Linux实现：通过sem_wait()和sem_post()实现。

示例：

sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 1);
sem_wait(&sem);
// 访问共享资源
sem_post(&sem);

3. 条件变量（Condition Variable）

• 定义：允许进程等待某个条件满足后再执行。
• Linux实现：结合互斥锁使用，提供pthread_cond_wait()和pthread_cond_signal()。

示例：

pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_mutex_init(&lock, NULL);

pthread_mutex_lock(&lock);
while (!condition_met) {
    pthread_cond_wait(&cond, &lock); // 等待条件
}
// 条件满足后继续执行
pthread_mutex_unlock(&lock);

4. 死锁（Deadlock）

• 定义：多个进程相互等待资源导致的无法继续执行的状态。
• Linux避免措施：
  • 资源预分配：一次性分配进程所需的所有资源。
  • 超时机制：进程在等待资源时设定超时时间。
  • 避免环路等待：分配资源时严格定义顺序。

总结

• 进程实体：包括程序计数器、寄存器、内存、文件描述符等，操作系统通过PCB管理进程。
• 五状态模型：新建、就绪、运行、阻塞和完成状态之间的转换由Linux调度程序管理。
• 进程同步：通过互斥锁、信号量、条件变量等机制，确保多进程环境下的资源安全与数据一致性。

Linux的进程管理机制确保了操作系统能够高效运行，同时提供丰富的工具和API供开发者使用。