概述

在Linux系统中，进程是指一个正在运行的程序实例。每个进程都有一个唯一的进程标识符，即PID，操作系统通过这个PID来唯一识别和管理各个进程。进程不仅仅是程序代码的运行实例，它还包含了程序运行时所需的各种资源，包括：内存空间、文件描述符、输入输出设备等。

进程的组成

一个Linux进程主要由以下几个部分组成。

程序段：进程执行的机器指令，通常是从磁盘或Flash上的可执行文件加载到内存中的。

数据段：包含全局变量和静态变量，通常也被加载到内存中。

堆：动态分配的内存区域，用于存储动态分配的数据结构，比如：通过malloc或new分配的内存。

栈：用于存储函数调用时的局部变量和函数参数，每次函数调用都会在栈上分配一个新的栈帧。

文件描述符表：用于记录进程打开的文件和网络连接等，每个进程都有一个文件描述符表。

进程控制块：英文全称为Process Control Block，通常简写为PCB。操作系统为每个进程维护的一个数据结构，记录了进程的所有相关信息，包括PID、状态、内存分配情况等。

进程的状态

Linux进程的生命周期是指从进程被创建开始，到进程终止并释放所有资源为止的整个过程。在这个过程中，进程会经历不同的状态，并随着系统环境和任务需求的变化而在这些状态之间转换。

一个典型的Linux进程，其生命周期通常包括以下几个阶段。

创建：通过fork系统调用，创建一个新的进程。

执行：进程在CPU上执行，可能经历多次状态转换。

阻塞：进程因等待I/O操作或其他事件，暂停执行。

终止：进程正常结束，或因错误而终止。

回收：父进程通过wait或waitpid系统调用，回收子进程的资源。

在Linux系统中，进程可以处于以下几种状态之一。

就绪状态：进程已经准备好运行，等待CPU时间片。

运行状态：进程正在CPU上执行。

阻塞状态：进程因为等待某些事件的发生而暂停运行，如等待I/O操作完成。

终止状态：进程已经完成或者因错误而终止。

僵尸状态：进程已经结束，但其父进程尚未调用 wait 或 waitpid 函数回收其资源。

停止状态：进程被暂停执行，通常是因为接收到 SIGSTOP 或 SIGTSTP 信号。

进程的上述状态之间可以互相转换，常见的状态转换如下。

就绪 -> 运行：当进程被调度程序选中，并分配到CPU上执行时，从就绪状态转换为运行状态。

运行 -> 就绪：当进程的时间片用尽，或被更高优先级的进程抢占时，从运行状态转换为就绪状态。

运行 -> 阻塞：当进程等待I/O操作完成，或其他事件发生时，从运行状态转换为阻塞状态。

阻塞 -> 就绪：当进程等待的事件发生后，从阻塞状态转换为就绪状态。

运行 -> 终止：当进程正常结束，或因错误终止时，从运行状态转换为终止状态。

终止 -> 僵尸：当进程结束，但父进程尚未回收其资源时，从终止状态转换为僵尸状态。

运行 -> 停止：当进程接收到SIGSTOP或SIGTSTP信号时，从运行状态转换为停止状态。

停止 -> 运行：当进程接收到SIGCONT信号时，从停止状态转换为运行状态。

为了更清晰地查看进程状态之间的转换过程，可参考下面的状态转换图。

如果想查看进程的当前状态，可以使用ps、top等命令。比如：使用ps aux命令可以查看系统中所有进程的详细信息，包括：状态、PID、CPU使用率、内存使用率等。

进程控制块

进程控制块，即PCB，是操作系统为每个进程维护的一个数据结构，记录了进程的所有相关信息。PCB是系统感知进程存在的唯一标志，系统通过PCB来管理和控制进程。PCB可以被操作系统中的多个模块读取或修改，比如：调度程序、资源分配程序、中断处理程序等。这些模块通过访问或修改PCB，来管理和控制进程的执行状态和资源分配情况。

PCB中包含的主要信息如下。

进程标识符：即PID，唯一标识进程的整数。PID在任何时刻都是唯一的，但可以重用。当进程终止并被系统回收后，其PID可以被其他新创建的进程使用。

进程状态：记录进程当前所处的状态。

程序计数器：指向进程下一条要执行的指令。

寄存器状态：保存进程的寄存器值，用于进程切换时恢复现场。

内存管理信息：包括进程的虚拟地址空间、页表等。

文件描述符表：记录进程打开的文件和网络连接等。

优先级：用于调度程序确定进程的优先级。

父进程ID：记录创建该进程的父进程的PID。

子进程列表：记录该进程创建的所有子进程的PID。

资源限制：包括进程可以使用的最大内存、文件描述符数量等。

// 进程控制块PCB
struct task_struct
{
    pid_t pid;  // 进程ID
    char comm[16];  // 进程名
    mm_struct *mm;  // 内存描述符
    files_struct *files;  // 文件描述符表
    fs_struct *fs;  // 文件系统信息
    signal_struct *signal;  // 信号处理信息
    thread_info *thread_info;  // 线程信息
    struct list_head tasks;  // 进程链表节点
    struct task_struct *parent;  // 父进程指针
    struct task_struct *children;  // 子进程链表头
    struct task_struct *sibling;  // 兄弟进程链表
    unsigned long state;  // 进程状态
    int priority;  // 进程优先级
    int nice;  // 进程的nice值
    int static_prio;  // 静态优先级
    int policy;  // 调度策略
    struct sched_param sched_param;  // 调度参数
    unsigned long flags;  // 进程标志
    unsigned long timeout;  // 超时时间
    unsigned long rt_priority;  // 实时优先级
    unsigned long deadline;  // 截止时间
    unsigned long runtime;  // 运行时间
    unsigned long vruntime;  // 虚拟运行时间
    unsigned long utime;  // 用户模式下的运行时间
    unsigned long stime;  // 内核模式下的运行时间
    unsigned long nvcsw;  // 自愿上下文切换次数
    unsigned long nivcsw;  // 非自愿上下文切换次数
    unsigned long start_time;  // 进程启动时间
    unsigned long exit_time;  // 进程退出时间
    // ...
};

进程调度

Linux系统中的所有进程形成一个树状结构，称为进程树。进程树的根节点是进程ID为1的init进程，它是系统启动后的第一个进程，负责启动其他系统进程和服务。每个进程都可以创建子进程，子进程又可以创建自己的子进程，从而形成一个多级的进程树。

Linux内核负责决定哪个进程何时获得CPU时间，调度算法决定了进程的优先级和执行顺序，常见的调度策略如下。

先来先服务：英文全称为“First-Come, First-Served”，缩写为FCFS。FCFS是一种简单的调度算法，按照进程到达的顺序进行调度。第一个到达的进程最先执行，然后是第二个到达的进程，依此类推。FCFS算法逻辑简单，容易理解和实现。但不够公平，缺乏优先级。比如：如果一个长作业首先到达，它会占用CPU较长时间，导致后续到达的短作业等待时间过长。

短作业优先：英文全称为“Shortest Job First”，缩写为SJF。SJF是一种基于进程预计执行时间的调度算法，优先调度执行时间较短的进程。SJF可以减少平均等待时间，提高系统的整体吞吐量。但必须预先知道或估计每个进程的执行时间，这在实际应用中可能难以实现。

时间片轮转：英文全称为“Round Robin”，缩写为RR。RR是一种基于时间片的调度算法，每个进程轮流分配固定的时间片，时间片用尽后切换到下一个进程。这样，每个进程都能获得平等的CPU时间，避免了某些进程长时间占用CPU。RR适用于交互式系统，可以快速响应用户的输入，但频繁的上下文切换可能会增加系统开销。

优先级调度：英文全称为“Priority Scheduling”，缩写为PS。PS根据进程的优先级进行调度，高优先级的进程优先获得CPU时间。它的特点是比较灵活，可以根据进程的重要性和紧急程度动态调整优先级。缺点是低优先级的进程可能会因为高优先级进程的存在，而长期得不到CPU时间。

完全公平调度：英文全称为“Completely Fair Scheduler”，缩写为CFS。CFS是Linux内核从版本2.6.23开始采用的默认调度算法，其设计目标是：在所有可运行的任务之间公平地分配CPU时间，确保没有任务长期得不到处理。CFS的主要特点有以下几点。

（1）公平性。CFS使用一个称为虚拟运行时间的概念来衡量任务的执行时间，虚拟运行时间反映了任务相对于其他任务的执行情况。另外，CFS使用红黑树来维护等待执行的任务列表。任务根据其虚拟运行时间进行排序，确保运行时间最少的任务优先得到CPU时间。

（2）可预测性。CFS提供了确定性的响应时间，实时任务优先于普通任务执行，这对于需要及时响应的应用程序非常重要。

（3）适应性。CFS能够动态调整其行为，以适应不同的工作负载，包括：交互式应用和批处理任务。在多核系统中，CFS尝试将任务分配到不同的核心上，以减少CPU的空闲时间。

（4）调度延迟。CFS会设定一个目标调度周期（通常为100毫秒），并试图让所有任务在这个周期内至少执行一次。CFS还会动态调整每个任务的时间片，确保运行时间较少的任务获得更多的机会。

（5）优先级支持。CFS根据nice值调整任务的权重，从而影响其虚拟运行时间。