Linux系统编程——进程

一、程序与进程

在计算机科学中，进程和程序是两个非常基础但容易混淆的概念。它们虽然密切相关，但在本质上有很大的区别。以下是对这两个概念的详细解释及其区别。

1. 什么是程序？

程序是指一组有序的指令，它们被设计来执行某些特定的任务。程序通常是静态的，存储在硬盘上（或其他介质上）作为一个可执行文件。

• 程序是静态的：它只是一个存储在存储介质上的代码文件，包含了编译后的指令，可以是 .exe、.out、.bin 等格式。

• 程序不执行任何操作：它只是一个包含逻辑和计算步骤的集合，直到被加载到内存中并被操作系统执行时，才变得有用。

示例：

• 一个用 C 语言写的源代码文件 hello.c。

• 一个已经编译好的可执行文件 hello.out。

程序本身并不代表运行状态，它只是一个没有执行的文件。

2. 什么是进程？

进程是程序在计算机上执行时的一个实例，或者说是程序的执行过程。它是操作系统资源管理的基本单位。每个进程有自己独立的内存空间、执行上下文（如程序计数器、栈、堆等），以及操作系统分配的资源（如文件描述符、系统资源等）。

• 进程是动态的：它是程序加载到内存后，在操作系统中被调度、执行的状态。

• 进程拥有自己的资源：每个进程都会有自己的内存空间（包括堆、栈、代码段等），操作系统为每个进程分配资源并进行管理。

示例：启动一个应用程序时，操作系统会为其创建一个进程。

• 在终端中运行一个编译后的程序 ./hello.out 时，它会成为一个进程。

进程是操作系统执行程序时所生成的一个运行实例，可以通过进程的ID（PID）进行标识。每个正在执行的程序都是一个进程，且每个进程由操作系统管理。

3. 程序与进程的区别

主要区别：

• 程序是静态的，它只是存储在硬盘上的文件，包含指令和数据。

• 进程是动态的，它是操作系统加载程序并执行时的运行实例。一个程序可以有多个进程实例在运行，每个进程有独立的资源和内存空间。

4. 进程与程序的关系

• 一个程序可以启动多个进程：例如，在操作系统中，多个用户可以同时运行同一个程序（比如多个终端窗口都运行 vim 编辑器），每个终端窗口都会启动一个 vim 进程。

• 进程依赖于程序：进程是程序的执行实例，没有程序，进程就无法启动。程序是进程的“蓝图”。

• 程序与进程的生命周期：程序在磁盘上创建后，可以被多次执行，启动多个进程。每个进程都有自己的执行上下文（如内存、CPU 状态等），当程序运行结束时，相关的进程会结束并释放资源。

5. 总结

• 程序是静态的，是存储在磁盘上的一组指令，尚未执行。

• 进程是程序的执行实例，是操作系统管理的动态实体。

• 程序和进程的关系可以类比为“工厂（程序）和生产的产品（进程）”，一个程序可以启动多个进程，而每个进程都是程序的运行时实例。

通过理解程序与进程的区别，能够帮助你更好地理解操作系统的工作原理，特别是如何管理和调度正在运行的程序，以及多任务操作如何在操作系统中实现。

二、查看系统进程

在 Linux 系统中，有多种方法可以查看系统中正在运行的进程。常用的查看进程的命令有 ps、top、htop、pgrep 等。下面是这些命令的详细介绍：

1. 使用 ps 命令查看进程

ps 命令是 Linux 系统中用于查看当前系统进程的一个基本命令。它可以列出当前用户的进程，或者显示系统中所有进程的信息。

常用命令：

• 查看当前用户的进程：

ps

这个命令只会列出当前终端会话的进程。

• 查看所有进程：

ps -e

或者

ps -A

这会列出系统中所有正在运行的进程。

• 查看详细信息：

ps -ef

该命令会列出所有进程，并显示更详细的信息，包括每个进程的 PID、父进程 PID（PPID）、占用的 CPU 和内存、进程状态等。

• 查看指定用户的进程：

ps -u username

替换 username 为你想查看的用户名，这会显示该用户启动的所有进程。

• 查看进程树：

ps axjf

这个命令以树状图的方式显示进程的父子关系，可以帮助你了解进程是如何启动的。

例子：

$ ps -ef
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root         1     0  0 04:33 ?        00:00:02 /sbin/init
root         2     0  0 04:33 ?        00:00:00 [kthreadd]
...

2. 使用 top 命令查看进程

top 命令是 Linux 中一个动态的进程查看工具，它会实时显示系统中的进程，并不断刷新显示。它不仅可以显示所有进程，还会显示每个进程的 CPU 和内存使用情况。

使用方法：

top

执行后，top 会实时刷新并显示所有进程的详细信息，如 PID、CPU 使用率、内存使用率等。

常用快捷键：

• 按 P：按 CPU 使用率排序。

• 按 M：按内存使用率排序。

• 按 q：退出 top 命令。

• 按 h：查看帮助信息。

例子：

$ top
top - 10:30:35 up  1:30,  1 user,  load average: 0.25, 0.30, 0.35
Tasks: 215 total,   1 running, 214 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  3.4 us,  1.2 sy,  0.0 ni, 94.8 id,  0.2 wa,  0.0 hi,  0.3 si,  0.0 st
MiB Mem :  8000.0 total,  2048.0 free,  4096.0 used,  1856.0 buff/cache
MiB Swap:  2048.0 total,  1024.0 free,  1024.0 used.  2048.0 avail Mem 

3. 使用 pgrep 查找进程

pgrep 命令用于根据进程名称查找进程 ID（PID），非常适合用于快速定位某个程序的进程。

使用方法：

pgrep <进程名>

例如，查找所有名为 firefox 的进程：

pgrep firefox

这将返回所有与 firefox 相关的进程 ID。

4. 使用 ps aux 查看所有进程（包括其他用户的进程）

ps aux 是查看系统中所有进程的常用命令，显示每个进程的详细信息，包括用户、PID、CPU 和内存使用、启动时间等。

使用方法：

ps aux

5.结合ps和grep查找进程

使用方法：

ps aux|grep filename

使用这个命令即可筛选出当前进程中的名为filename的进程的详细信息。

总结

在 Linux 系统中，查看进程的方法有很多，常用的命令包括：

1. ps：用于静态查看当前系统进程。

2. top：实时查看并动态更新系统进程。

3. pgrep：根据进程名称查找进程 ID。

4. ps aux：查看所有进程及其详细信息。

每个命令的用途和适用场景不同，ps 用于查看当前进程状态，top 和 htop 用于实时监控进程，pgrep 用于查找特定进程。

三、进程标识符（PID）

进程标识符（PID，Process Identifier） 是操作系统用于唯一标识一个正在运行的进程的数字。每个进程在操作系统中都有一个唯一的 PID，这个标识符是操作系统调度和管理进程的基础。

进程标识符是一个正整数，它可以帮助操作系统和用户区分不同的进程。PID 通常由操作系统在进程创建时分配，并且在进程终止后回收。

1.进程标识符的作用

1. 唯一标识进程：每个进程都有一个唯一的 PID，操作系统可以根据 PID 来识别、调度和管理进程。

2. 进程控制：通过 PID，用户和程序可以控制进程，如终止进程、查看进程状态等。例如，使用 kill 命令可以通过 PID 终止进程。

3. 进程间通信：在某些进程间通信（IPC）机制中，PID 作为目标进程的标识符，帮助进程之间进行数据交换和同步。

2.如何查看进程的 PID

在 Linux 系统中，可以使用多种方法查看进程的 PID。除了之前提到的使用ps、top、pgrep等命令查看进程的时候可以看到进程的PID，我们使用getpid()函数也可以得到进程的PID。

pid_t pid;
pid = getpid();

3.特殊的 PID

• PID 1：在 Linux 系统中，PID 为 1 的进程通常是 init 进程或现代系统中的 systemd。这是系统启动时的第一个进程，负责启动和管理系统中的其他进程。

• PID 0：这个 PID 保留给内核进程，它不是普通的用户进程。

4.进程与父进程（PPID）

每个进程除了有一个唯一的 PID，还会有一个 父进程标识符（PPID，Parent Process ID）。父进程是创建当前进程的进程。例如，当一个用户在终端中启动一个程序时，终端本身是父进程，启动的程序是子进程。可以通过 ps -ef 输出中的 PPID 列查看父进程的 PID。

总结

• 进程标识符（PID） 是操作系统为每个正在运行的进程分配的唯一数字标识符。

• PID 是进程管理和调度的基础，通过 PID，操作系统可以识别和控制进程。

• 用户 可以通过 ps、top、pgrep 等命令查看进程的 PID。

• PID 对进程间通信和进程控制至关重要，是管理系统中各个进程的核心。