进程

1 进程的定义⭐⭐⭐⭐⭐

进程是指在计算机中执行的一个程序。每个进程都有自己的内存空间和系统资源，如文件、端口、线程等。进程是计算机操作系统中的一个基本概念，是操作系统进行资源分配和调度的最小单位。每个进程都有一个唯一的标识符（进程号），可以在操作系统中进行管理和控制。

在操作系统中，每个进程都有自己的地址空间和指令和数据，这个地址空间通常由内核进行分配和管理。在运行时，进程可以创建和销毁多个线程，每个线程可以在进程的地址空间中独立运行。

每个进程可分为以下几个部分：

1 程序代码区：包含执行程序的指令代码

2 数据区：包含程序执行时所需的数据

3 堆：动态分配的内存空间

4 栈：运行时函数调用、返回和局部变量存储的空间

操作系统通过进程控制块（Process Control Block，PCB）来记录和管理每个进程的状态、所有权等信息，每个进程的PCB包含进程标识符、进程状态、CPU寄存器状态、内存分配状态、打开文件状态信息等。操作系统可以通过PCB来进行进程的调度和管理，以保证计算机系统的高效运行。

2 进程的特征⭐⭐⭐⭐⭐

进程具有以下特征：

1 动态性：进程是动态产生和消失的，系统中可以同时存在多个进程，新的进程可以随时被创建，而已有的进程也可以随时被销毁。

2 独立性：每个进程都有自己的内存空间和系统资源，进程之间不会相互干扰。

3 并发性：多个进程可以同时运行，计算机系统可以快速地进行多任务处理，提高效率，有利于实现多人共享系统资源。

4 异步性：不同进程的执行速度不同，各个进程之间的执行顺序和时间不受约束，执行顺序和速度都是不可预知的。

5 独立的地址空间：每个进程有自己的地址空间，进程之间的数据是相互隔离的，提高了计算机系统的安全性。

6 同步与通信：不同的进程之间可以进行通信，可以利用操作系统提供的信号量、共享内存、管道等机制来实现进程间的同步和通信。

7 共享与互斥：在进程并发执行时，可能会有多个进程要对同一资源进行访问，通过锁机制实现资源的互斥访问，避免了资源冲突和死锁问题。

3 进程的五种基本状态及转换⭐⭐⭐⭐⭐

进程有五种基本状态：创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态和终止状态。

1 创建状态：当操作系统接受到用户进程创建的请求时，会为进程分配资源，并将进程的PCB加入到系统的进程队列中。

2 就绪状态：当进程具备运行条件时，它被加入就绪队列中，等待操作系统为其分配CPU执行时间。

3 运行状态：当进程获得CPU执行权后，进程开始运行，执行其指令，直到结束或者进入阻塞状态。

4 阻塞状态：当进程在运行时需要等待其它的事件发生，比如等待I/O的完成，或者等待系统调用的结果，进程会从运行状态转换到阻塞状态。

5 终止状态：当进程完成其任务或者因为异常情况终止时，进程会从任何状态转移到终止状态，回收并释放系统资源。

进程状态之间的转换如下：

1 从创建状态到就绪状态：系统为进程分配资源后，进程进入就绪状态，等待系统分配CPU执行时间。

2 从就绪状态到运行状态：当进程获得CPU执行资格时，进程进入运行状态，开始执行。

3 从运行状态到就绪状态：当进程执行完其指令后， 或者因为时间片用完而被中断时，进程从运行状态转换到就绪状态。

4 从运行状态到阻塞状态：当一个进程在执行中需要等待其它事件的发生，比如等待I/O完成时，进程会从运行状态转换为阻塞状态，等待事件完成。

5 从阻塞状态到就绪状态：当一个进程等待的事件完成时，它就转移到就绪状态，等待系统重新为其分配CPU执行时间。

6 从运行状态到终止状态：当进程执行完成或者因为异常情况终止时，它就转移到终止状态，系统回收并释放该进程所占有的资源。

4 创建进程的方式？⭐⭐⭐⭐⭐

在 Linux 系统中，创建进程主要有以下几种方式：

使用 fork() 函数

• 原理：fork() 是创建新进程的基础系统调用。调用 fork() 时，操作系统会复制当前进程（父进程），生成一个几乎完全相同的子进程。子进程会获得父进程数据空间、堆和栈的副本，且与父进程共享代码段。
• 返回值：在父进程中，fork() 返回子进程的进程 ID（一个正整数）；在子进程中，返回 0；若出错则返回 -1。通过返回值，父进程和子进程可区分彼此并执行不同的代码逻辑。
• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("This is the child process, pid = %d\n", getpid());
    } else {
        // 父进程代码
        printf("This is the parent process, child pid = %d\n", pid);
    }

    return 0;
}

fork() 与 exec() 系列函数配合

• 原理：fork() 创建子进程后，子进程可调用 exec() 系列函数来执行新的程序。调用 exec() 时，子进程的内存空间会被新程序替换，开始执行新程序的代码。
• 常见函数：包括 execl()、execv()、execle()、execve()、execlp()、execvp() 等，这些函数在参数传递方式和查找可执行文件的路径上存在差异。
• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程执行新程序
        if (execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL) == -1) {
            perror("execl");
            return 1;
        }
    } else {
        // 父进程等待子进程结束
        wait(NULL);
        printf("Child process finished.\n");
    }

    return 0;
}

使用 vfork() 函数

• 原理：vfork() 也是用于创建新进程的系统调用，与 fork() 类似，但 vfork() 创建的子进程会共享父进程的地址空间，直到子进程调用 exec() 系列函数或 _exit() 退出。
• 特点：vfork() 保证子进程先运行，在它调用 exec() 或 _exit() 之后父进程才可能被调度运行。
• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    pid_t pid = vfork();

    if (pid < 0) {
        perror("vfork");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("This is the child process, pid = %d\n", getpid());
        _exit(0);
    } else {
        // 父进程代码
        printf("This is the parent process, child pid = %d\n", pid);
    }

    return 0;
}

使用 system() 函数

• 原理：system() 函数可在程序中执行一个 shell 命令。它内部会调用 fork() 创建子进程，然后在子进程中调用 exec() 来执行指定的 shell 命令。
• 优点：使用简单，适合执行一些简单的系统命令。
• 示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int status = system("ls -l");
    if (status == -1) {
        perror("system");
        return 1;
    }
    return 0;
}

5 什么时候用进程？⭐⭐⭐⭐⭐

在操作系统中，进程是资源分配和调度的基本单位。以下是适合使用进程的常见场景及简介：

1. 需要资源隔离时

• 场景：多个任务需要独立的内存空间、文件描述符等资源，避免相互干扰。
• 例子：浏览器中每个标签页作为独立进程，一个页面崩溃不影响其他页面。

2. 并行处理任务

• 场景：需要充分利用多核 CPU，或处理 CPU 密集型任务（如视频渲染、科学计算）。
• 特点：进程间通过消息传递（如管道、Socket）通信，适合无共享数据的并行任务。

3. 运行独立程序

• 场景：通过 exec() 系列函数启动外部程序（如 Shell 命令、第三方工具）。
• 例子：在 C 程序中调用 system("ls -l") 执行文件列表命令。

4. 需要高可靠性和容错性

• 场景：某个任务崩溃时，不影响其他任务的运行。
• 例子：Web 服务器的多进程模型，单个进程故障后可自动重启。

5. 守护进程与服务程序

• 场景：长期运行的后台服务（如数据库、Web 服务器）。
• 特点：独立于终端，可在系统启动时自动运行。

与线程的对比

• 进程：资源隔离性强，适合任务独立性高的场景，但创建开销大。
• 线程：轻量级，共享进程资源，适合任务协作频繁的场景（如 I/O 密集型服务）。

总结

选择进程的核心原则是任务独立性和资源隔离。当任务需要独立运行、避免相互影响，或需要充分利用多核性能时，进程是更合适的选择。

6 进程控制⭐⭐⭐⭐

进程控制指的是操作系统通过对进程的调度、调度策略、进程优先级等方式来控制进程的执行。进程控制由操作系统进行，是操作系统对进程状态的监控和管理。具体的控制方式包括以下几种：

1 进程调度：指操作系统在多个就绪进程中选取一个进程分配CPU执行时间的过程。进程调度的目的是提高CPU的利用率和系统的响应速度。

2 进程同步：多个进程之间为了协作完成某一任务，必须要进行同步。操作系统提供了各种机制，如信号量、互斥锁、条件变量等来实现进程间的同步。

3 进程通信：进程通信是指多个进程之间交换信息和共享数据的过程。进程通信是通过操作系统提供的IPC机制来实现的，如管道、消息队列、共享内存、Socket等。

4 进程安全：进程安全指保证进程能够正确、合法的执行，并防止进程间相互干扰和冲突的一组机制。进程安全是操作系统对进程进行的重要控制之一，其技术手段包括：鉴权、进程隔离、进程权限控制等。

5 死锁处理：在操作系统中，进程之间可能会因为资源的竞争和协作等原因产生死锁。操作系统提供了死锁预防和死锁解除的机制，如银行家算法、超时机制、资源剥夺等方式来避免和解除死锁。

7 进程同步方式⭐⭐⭐⭐⭐

在多进程操作系统中，由于多个进程都需要共享系统资源，同时对这些资源进行访问可能会产生冲突，因此需要进行同步与互斥。常见的进程同步方式包括：

信号量： 信号量是一个整形变量，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。在信号量机制中，对共享资源进行互斥访问的进程会对信号量进行P（proberen）操作，而释放共享资源的进程则进行V（verhogen）操作。当信号量为1时，表示共享资源可以被访问，为0时表示已经被占用。

互斥锁：互斥锁是一种二元信号量，只有0和1两种状态，可以用来保证多个进程互斥地访问共享资源。只有获取到锁的进程才能访问共享资源，其他进程需要等待锁的释放。当锁被占用时，其他进程对锁的请求会被阻塞，直到锁被释放。

条件变量：条件变量可以用来实现进程间的同步和通信。条件变量通常与互斥锁一起使用，当共享资源的某个条件未得到满足时，会阻塞等待，当获取到满足条件的资源时，可以通过条件变量通知阻塞的进程获取共享资源。

读写锁： 读写锁是一种特殊的锁，用于在数据读取操作多于写入操作的情况下提高并发性能。具体来说，读写锁允许多个读者访问，但只允许一个写者访问。当写操作正在被执行时，所有读和写操作都将被阻塞。