「Linux 系统编程」进程相关概念

1 进程与程序

1.1 什么是程序

定义：程序 是一组静态的指令集合，通常以一个文件的形式存储在磁盘上（例如，/usr/bin/chromium 是一个Chrome浏览器的可执行程序文件）。

本质：只是一堆存储在磁盘上的二进制代码和数据，本身并不执行任何操作。

1.2 什么是进程

定义：进程 是一个 正在执行的程序的实例。当一个程序被加载到内存并开始执行时，就变成了一个进程。执行完毕就会被销毁。

本质：进程 是一个活动的实体，拥有自己的生命周期和状态。进程 不仅是程序的代码，还包括当前的活动（如程序计数器的值、寄存器的内容）、以及运行所需的系统资源（如内存、打开的文件等）。

每个进程都 拥有独立的地址空间 和 系统资源，一个进程通常不会直接影响另一个进程（除非通过进程间通信IPC）。

进程的并发：在操作系统的管理下（通过进程调度、上下文切换），多个进程在一段时间内同时处于已开始运行但尚未结束的状态（宏观上看这些进程像是在同时进行），在单个 CPU 上 模拟出多任务同时执行的效果。

1.3 程序与进程的关系

程序 进程
本质 静态的 指令集合（文件） 动态的 执行实例（活动）
存在状态 永久的，存储在磁盘等介质上 暂时的，有生命周期（创建、执行、终止）
组成 代码、静态数据 程序代码 + 当前状态（计数器、寄存器） + 相关资源（内存、文件、CPU时间片）
归属关系 一对多：一个程序可以对应多个进程 多对一：一个进程只能对应一个特定的程序
资源分配 不占用系统运行资源（CPU、内存） 是 系统进行资源分配和调度 的基本独立单位

2 并发与并行

并发 并行
核心概念 处理多个任务的能力 同时执行多个任务的能力
本质 逻辑上 的同时发生（同一时间段内推进） 物理上 的同时执行（真正同一时刻一起运行）
硬件要求 单核 CPU 即可实现 必须有多核 CPU
图示 交替 同时

并行是并发的 真子集。并发的范围更广，包含了并行。


3 单道程序设计与多道程序设计

单道程序设计 多道程序设计
允许内存中的程序数量 一个 多个
CPU 利用率 极低（大量时间在等待I/O） 高（CPU总在工作，减少空闲）
资源使用 程序独占全部资源 资源由多个程序共享
目标 简化设计，方便操作 最大化系统效率 和吞吐量
复杂性 管理简单 管理复杂，需要解决内存管理、调度、同步等问题
时代背景 早期批处理系统 现代操作系统的 基石

多道程序设计是现代所有操作系统（包括Windows, Linux, macOS等）的基础和核心特征。 通过组织多个程序交替共享CPU，解决了单道程序中 CPU等待 I/O 的巨大效率问题。


4 操作系统的存储介质

4.1 高速临时存储介质（内存 / 缓存，断电数据丢失）

高速临时存储介质 的核心特点是读写 速度极快，但 容量较小、成本高，主要用于 OS 临时存放正在运行的程序、数据和内核指令，确保 CPU 能快速获取数据，避免等待低速外存。

4.1.1 SRAM（静态随机存取存储器，构成 Cache）

SRAM（静态随机存取存储器）是构成 CPU缓存（Cache） 的核心硬件基础。SRAM 无需刷新电路，功耗低，具有极低的随机访问延迟，容量通常较小（通常为 MB 级）。

SRAM 作为 CPU 高速缓存（L1/L2/L3 Cache），存放 CPU 最常访问的指令和数据，减少 CPU 与内存的交互延迟。

现代 CPU 的缓存（Cache）分为三级，每一级均使用 SRAM：

  • L1 Cache：每个CPU核心独占，容量32~64KB，分为指令缓存（I-Cache）和数据缓存（D-Cache）。其延迟最低，主要优化速度。通常采用采用高频低延迟的 8T-SRAM。

  • L2 Cache：每个核心独占或共享，容量256KB~1MB，平衡速度与容量。使用高密度 6T-SRAM，容量更大。

  • L3 Cache：多核共享，容量2~64MB，主要减少多核访问主存的冲突。采用低功耗 SRAM。

4.1.2 DRAM（动态随机存取存储器，构成主内存）

与 SRAM 相比，DRAM 的结构更简单，具有更高的密度和更低的成本，但其访问速度较慢，耗电量较大，容量中等（通常为 GB 级）。

DRAM 广泛应用于计算机的 主内存（内存条），存放 OS 内核、正在运行的应用程序（如浏览器、文档）和 临时数据。

4.1.3 SRAM 和 DRAM 总结

SRAM（静态随机访问存储器）和 DRAM（动态随机访问存储器）是两种常用的内存技术。

  • 存储方式：SRAM 使用触发器存储数据，不需要定期刷新；DRAM 需要定期刷新以保持数据。
  • 速度：SRAM 的读写速度最快，适合用作 CPU 缓存；DRAM 速度较快（慢于 SRAM），但适合较大容量内存。

当 CPU 请求数据时，首先查询 L1 Cache，若未命中则依次查询 L2 和 L3 Cache，最终访问主存（DRAM）。

4.1.4 栈空间和堆空间

栈空间 是操作系统为每个线程分配的一块连续的内存区域，用于管理函数调用和局部变量。它的管理方式非常高效，遵循后进先出的原则。

堆空间 是操作系统提供给应用程序的一块不连续的、全局的、巨大的内存池。它的大小通常只受限于机器的物理内存和虚拟内存大小。

特性 栈空间 堆空间
管理方式 由编译器/操作系统自动管理 手动申请释放（C/C++）或由GC管理（Java/C#等）
分配速度 非常快（移动指针） 相对较慢（寻找空闲块）
生命周期 函数调用期间，随函数返回自动释放 动态的，从 malloc/new 开始，到 free/delete 或GC回收结束
大小限制 较小（通常MB级别） 很大（仅受限于系统虚拟内存）
存储内容 局部变量、函数参数、返回地址等 动态分配的对象和大数据结构
内存结构 连续的内存块 不连续的链表式结构，可能产生碎片
主要错误 栈溢出（Stack Overflow） 内存泄漏（Memory Leak）、use-after-free

4.2 低速持久存储介质（外存，断电数据保留）

这类介质的核心特点是 容量大、成本低，但 读写速度慢（毫秒级或秒级），主要用于 OS 持久化存储用户数据（如文件、照片）、系统文件（如 Windows 的C:\Windows、Linux 的/boot）和 应用程序安装包。

4.2.1 机械硬盘（HDD，Hard Disk Drive）

物理结构：由旋转的磁盘片（磁性材料）、读写磁头组成，通过磁头移动和磁盘旋转实现数据读写。

核心特性：

  • 相比 SSD 速度较慢（寻道时间～5-10ms，连续读写速度～100-200MB/s）；
  • 容量大（TB 级，主流 2-16TB）、成本低（每 GB 成本远低于 SSD）；
  • 怕震动（磁头易划伤磁盘片导致数据损坏）。

机械硬盘（HDD，Hard Disk Drive）是 传统 PC / 服务器的主要外存，用于存放大量不常快速访问的数据（如备份文件、视频库），或作为早期设备的低成本系统盘。

4.2.2 固态硬盘（SSD，Solid State Drive）

物理结构：使用闪存芯片来存储数据，无机械部件，靠电子信号读写数据。

核心特性：

  • 速度快（随机读写速度～1000-7000MB/s，远超 HDD），无寻道时间；
  • 抗震性强、噪音低、功耗低；
  • 成本高于 HDD，容量逐步提升（主流 512GB-4TB），存在 “写入寿命”（TBW，总写入字节数，消费级 SSD 通常足够日常使用）。

固态硬盘（SSD，Solid State Drive）是 当前主流系统盘（存放 OS 内核、常用应用），大幅提升开机速度、应用启动速度。

可以在自己电脑的任务管理器上看到电脑磁盘的类型：

4.2.3 移动存储介质

这类介质 便携性强，通常即插即用 主要用于跨设备数据传输，OS 需通过驱动支持其读写。

  • U 盘（USB 闪存盘）：基于闪存芯片，容量通常 16GB-2TB，接口以 USB 3.0/3.1 为主（速度～100-500MB/s），适合小文件传输（如文档、安装包）。

  • 移动硬盘（分 “移动 HDD” 和 “移动 SSD”）：

    • 移动 HDD：容量 2-16TB，速度～100-200MB/s，适合大容量备份（如照片库）；
    • 移动 SSD：容量 512GB-4TB，速度～500-2000MB/s，适合高速传输（如 4K 视频）。

4.3 长期归档存储介质（海量数据备份，读写频率低）

这类介质的核心特点是 寿命长、稳定性高，但 读写速度极慢，主要用于 OS 或用户的 “冷备份”（长期不访问但需保留的数据）。

  • 光盘（CD/DVD/Blu-ray）：速度慢（MB 级 /s），易刮伤，需光驱读取。早期用于存放系统安装镜像（如 Windows 安装光盘）、软件安装包、影音文件，当前逐步被 U 盘 / 网盘替代。

  • 磁带（磁带库）： 速度慢（顺序读写～100-300MB/s），成本极低。适用于OS 日志、用户海量数据（如银行交易记录、云存储冷数据）的长期归档备份，不适合随机访问。

操作系统存储结构层次示意图：

操作系统的存储结构层次示意图


5 CPU 及其组成

5.1 CPU 中央处理器

CPU 中央处理器 负责执行程序中的指令、进行算术和逻辑运算、控制其他组件协调工作。

核心组成部分：

  • 控制单元（CU）：负责从内存中 读取指令、解码指令。根据指令的译码结果，生成相应的控制信号，控制运算器、寄存器和其他部件协同工作。

  • 算术逻辑单元（ALU）：负责执行所有数学运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非、比较）。

  • 寄存器组：是 CPU 内部的微小、高速的存储单元。

    寄存器 是 CPU 直接进行操作的地方。寄存器 用于存储当前正在被执行的指令、操作数、中间结果以及指令的地址等。数量很少，但速度极快。

  • 缓存（Cache）：集成在 CPU 内部的高速存储器。

  • 总线接口：负责管理 CPU 与系统其他部分（如内存、输入/输出设备）之间的数据通信。

5.2 CPU 工作举例

以一个简单的加法指令 C = A + B 为例，CPU 的工作流程如下：

  1. 取指令：控制单元（CU）从内存中 取出 ADD A, B, C 这条指令，并将其 加载到指令寄存器 中。

  2. 解码指令：控制单元（CU）解码这条指令，明白需要做加法。

  3. 取数据：CU 指挥总线接口单元，将内存中变量 A 和 B 的值（如果缓存 cache 中有副本，则直接从缓存 cache 中读取）加载到通用寄存器 中。

  4. 执行计算：CU 命令 算术逻辑单元（ALU）从寄存器中取出 A 和 B 的值进行 加法运算。

  5. 存结果：ALU 将计算结果 写回另一个寄存器。

  6. 写回内存：CU 最终将寄存器中的结果 写回内存中变量 C 所在的位置（也会同时更新缓存）。

整个过程将在纳秒级别内完成。


6 MMU 内存管理单元

6.1 MMU 内存管理单元

MMU 内存管理单元（Memory Management Unit）负责处理 CPU 核心发出的内存访问请求，位于 CPU 内。

MMU 内存管理单元 主要功能是 将虚拟地址转换为物理地址。MMU 为每个进程提供一个 独立的、统一的、连续的虚拟地址空间，并将这个虚拟空间 映射到分散的物理内存页上。

为什么需要 MMU：

  • 安全性差：如果一个程序可以随意读写其他程序甚至操作系统的内存数据，可能导致系统崩溃或数据泄露；
  • 内存管理困难：随着程序的加载和退出，可用物理内存会变得零散破碎，难以分配大块的连续内存；
  • 并发困难：每个程序都需要知道自己被加载到物理内存的什么位置，这给同时运行多个程序带来了巨大复杂度。

这就是为什么需要 MMU 内存管理单元，MMU 通过虚拟内存技术解决了上述所有问题。

6.2 MMU 与权限设置

MMU 的工作原理是通过查询页表来实现虚拟地址到物理地址的转换。每个页表项不仅包含物理页帧号，还包含控制该页访问权限的位。

  • P (Present)位：该页是否在物理内存中。如果为 0，访问会触发缺页异常。

  • R/W (Read/Write)位：

    • 0 = 只读
    • 1 = 可读可写
    • 当CPU处于低特权级（如用户模式）时，尝试写入一个R/W=0的页会触发保护异常。

  • U/S (User/Supervisor)位：

    • 0 = Supervisor 页。只有 操作系统内核 可以访问。
    • 1 = User 页。所有程序（用户态和内核态）都可以访问。
    • 当CPU处于低特权级（用户模式）时，尝试访问一个U/S=0的页会触发保护异常。

  • XD (Execute Disable) 位（Intel）或 NX (No Execute) 位（ARM）：

    • 1 = 该页的内容 不可作为指令执行。
    • 这是一种重要的安全特性，防止攻击者将恶意代码写入数据区（如栈或堆）然后跳转执行。

MMU 在每次内存访问时，检查当前 CPU的特权级和访问类型（读、写、执行），并与页表项中的这些权限位进行比对。如果违反任何一条规则，MMU会立即向 CPU 报告一个 异常。


7 PCB 进程控制块

7.1 PCB 进程控制块及其组成

PCB 进程控制块（Process Control Block）是操作系统用于 管理和描述一个运行中程序（进程）的数据结构。存放在操作系统内核所在的内存空间（内核空间）中。

PCB 进程控制块 包含了进程中的重要信息（如进程 id、进程状态、工作位置等），从而支持操作系统对进程进行有效的管理和调度。

PCB 进程控制块 主要涵盖信息：

  • 进程标识：包括进程 ID（PID）、父进程 ID（PPID）等。
  • 进程状态：如运行、就绪、阻塞等。
  • CPU 寄存器状态：保存进程在切换时的 CPU 上下文。
  • 调度信息：包含优先级、调度队列位置等。
  • 内存管理信息：记录进程所使用的地址空间，包括代码段、数据段和堆栈段。
  • 资源分配信息：跟踪进程所持有的文件描述符、打开的设备等资源。
  • 会计信息：记录 CPU 使用时间、内存使用量等统计信息。

7.2 PCB 进程控制块工作（以进程切换为例）

  1. 中断发生：一个正在运行的进程由于时间片用完或等待 I/O 等原因需要被挂起。

  2. 保存现场：操作系统将当前 CPU 中所有寄存器的值保存到该进程的 PCB 中。

  3. 选择新进程：调度器根据各个进程 PCB 中的调度信息（如状态、优先级），选择一个就绪的进程来运行。

  4. 恢复现场：操作系统将新进程 PCB 中保存的寄存器值（上次的现场）全部重新加载到 CPU 的各个寄存器中。

  5. 开始运行：程序计数器等寄存器被恢复，CPU 开始执行新进程的代码。

这个过程被称为 上下文切换，而 PCB 就是上下文切换的核心。

7.3 Linux 中的 PCB

在 Linux 系统中，PCB 的具体实现是一个名为 task_struct 的非常庞大的结构体（定义在 sched.h 头文件中）。它包含了上述的所有信息以及其他更多信息。

在 Linux 系统中，可以通过命令 ps -aux 查看到的进程信息，绝大部分都来自于每个进程对应的 task_struct：

7.4 进程的 5 种状态

  1. 新建

    进程正在被创建（例如，通过 fork() 系统调用）。操作系统正在为其 分配PCB、初始化资源、建立地址空间 等。这是一个短暂的准备状态。

  2. 就绪

    进程 已准备好运行，只差CPU。它已经获得了除CPU之外所有必需的资源（如内存、文件等）。通常有多个进程处于就绪状态，它们在一个叫 就绪队列 的数据结构中排队，等待操作系统的调度器来选择。

  3. 运行

    进程 正在CPU上执行其指令。在单核CPU系统中，任何时刻最多只有一个进程处于运行状态。

  4. 阻塞

    进程 正在等待某个事件的发生，在事件发生之前无法继续执行（例如，等待用户输入、等待磁盘读取数据、等待另一个进程发来信号）。处于阻塞状态的进程即使分配CPU给它，它也无法运行。它们会在 阻塞队列 中等待。

  5. 终止

    进程 已经结束执行（正常结束或被强制杀死）。操作系统开始回收分配给它的资源（内存、打开的文件等），并销毁其PCB。是一个清理和销毁的状态。

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「Linux 系统编程」进程相关概念
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作者
MarisaMagic
发布于
2025年8月30日
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