进程

程序: 数据结构+算法

• 数据结构: 表示思维对象抽象概念的物理表现
• 指令操作: 对数据进行处理的规则
• 计算: 对有限数据集实施以解决问题的有限指令集合
  程序是数据和指令的集合，执行过程即计算。

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程序的执行方式

顺序方式

• 完全执行完一个程序才能执行下一个
• 示例: 游戏大厅选完角色后才能进入游戏界面
• 缺陷: CPU利用率低

并发执行

• 将指令执行过程拆分为不同步骤
• 不同硬件并行处理不同步骤
• 目的: 提高CPU利用率和系统吞吐量

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进程定义

进程是具有独立功能的程序在数据集合上的一次运行活动。
示例:

int main() {  
    int a = 11, b = 10;  
    int sum = a + b;  
    std::cout << "sum = " << sum << std::endl;  
    return 0;  
}

执行 ./a.out 即启动一个进程。

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进程与程序的区别

程序	进程
静态概念（指令集合）	动态概念（活动实体）
存储在文件系统中	运行时创建和消亡
一个程序可对应多个进程	一次程序执行对应一个进程
-	竞争系统资源的基本单位
类比: "菜谱"（程序）与 "按菜谱炒菜"（进程）。

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进程状态

操作系统将进程执行分为多个阶段：

1. 创建态:
   • 创建空白PCB（struct task_struct）
   • 包含进程状态、ID、空间地址、文件表项等
2. 就绪态:
   • 准备工作完成，等待CPU调度
3. 运行态:
   • CPU正在执行进程指令
4. 阻塞态:
   • 等待外部事件（如I/O完成）
5. 消亡态:
   • 释放PCB资源

状态转换关系:

注意: 阻塞态需先切回就绪态才能进入运行态。

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进程调度策略

调度类型	策略	示例系统
分时系统	时间片轮转	Linux, Windows, macOS
实时系统	优先级抢占	uCOS, FreeRTOS

• 时间片轮转: 每个进程执行固定时长后切换
• 优先级抢占: 高优先级进程可中断低优先级进程

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进程地址空间分布

Linux对进程数据分段管理：

段	内容	属性	生命周期
.text	代码	只读、共享	随进程持续
.data	已初始化的全局变量/静态变量	可读写	随进程持续
.bss	未初始化的全局变量/静态变量	可读写（初始化为0）	随进程持续
.rodata	只读数据（如字符串常量）	只读	随进程持续
stack	局部变量	可读写、自动释放	随代码块持续
heap	malloc/calloc动态分配的内存	可读写、需手动释放	显式释放或进程结束

关键点:

• 栈空间: 返回局部变量地址会导致悬空指针
• 堆空间: 需手动释放避免内存泄漏

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Linux进程API

创建进程

#include <sys/types.h>  
#include <unistd.h>  

pid_t fork(void);  
/*  
@描述:  
  创建子进程（复制父进程数据/指令/文件描述符等）  
@返回值:  
  成功:  
    父进程返回子进程ID (>0)  
    子进程返回0  
  失败: 返回-1（errno被设置）  
*/

注意:

• 父子进程独立运行
• 子进程从fork()返回处开始执行

获取进程ID

pid_t getpid(void);  // 返回当前进程ID  
pid_t getppid(void); // 返回父进程ID

进程退出

#include <stdlib.h>  
void exit(int status);  // 正常退出（清理缓冲区）  
#include <unistd.h>  
void _exit(int status); // 立即退出（不做清理）

• status: 退出码（0表示成功，非0表示错误）

等待子进程

#include <sys/wait.h>  

pid_t wait(int *wstatus);  
/*  
@描述:  
  等待任意子进程结束  
@wstatus: 存储子进程退出状态  
@返回值: 成功返回子进程ID，失败返回-1  
*/  

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);  
/*  
@pid:  
  >0: 指定进程ID  
  -1: 任意子进程  
  0: 同组任意子进程  
  <-1: 组ID为|pid|的任意子进程  
@options:  
  0: 阻塞等待  
  WNOHANG: 非阻塞  
*/

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特殊进程类型

僵尸进程

• 定义: 已结束但未被父进程wait()回收的进程
• 风险: 占用进程表项（不占内存/CPU）
• 避免: 父进程必须调用wait()/waitpid()

孤儿进程

• 定义: 父进程先于子进程结束
• 处理: 被init进程（PID=1）接管并自动回收

守护进程

• 定义: 后台运行且无控制终端的进程
• 用途: 系统级任务（如网络服务）
• 创建步骤:
  1. fork()创建子进程，父进程退出
  2. 子进程调用setsid()创建新会话
  3. 更改工作目录（如chdir("/")）
  4. 重设文件权限掩码（umask(0)）
  5. 关闭继承的文件描述符

示例代码:

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

void daemonize() {  
    pid_t pid = fork();  
    if (pid < 0) exit(EXIT_FAILURE);  
    if (pid > 0) exit(EXIT_SUCCESS); // 父进程退出  

    if (setsid() < 0) exit(EXIT_FAILURE); // 创建新会话  

    if (chdir("/") < 0) exit(EXIT_FAILURE); // 更改工作目录  

    // 守护进程主逻辑  
    while (1) { /* 执行任务 */ }  
}

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关键总结

概念	核心要点
进程 vs 程序	动态 vs 静态，一次执行 vs 持久存储
进程状态	创建→就绪→运行→阻塞→消亡
地址空间	分段管理（.text/.data/.bss/stack/heap）
僵尸进程	父进程未调用wait()导致残留进程表项
守护进程	无终端关联的后台进程，需脱离父进程控制

作业: 实现守护进程监控系统任务。