Linux进程解析
一、进程的基本概念
1.进程的定义：
- 进程是操作系统中正在运行的程序的实例。每个进程都有自己的地址空间、文件描述符、栈和堆等资源。
- 进程标识符（PID）：每个进程都有一个唯一的PID，用于标识和管理进程。
2.进程与程序的区别：
- 程序是存储在磁盘上的可执行文件，包含指令和数据。
- 进程是程序在内存中的运行实例，包含程序的代码、数据、堆栈以及操作系统分配的资源。
二、进程的内存结构
每个进程在内存中有自己独立的地址空间，通常分为以下几个部分：
1.代码段（Text Segment）：
- 存储程序的指令代码，通常是只读的。
- 特点：多个进程可以共享同一个代码段以节省内存。
2.数据段（Data Segment）：
- 初始化数据段：包含有初始值的全局变量和静态变量。
- 未初始化数据段（BSS）：包含未初始化的全局变量和静态变量，默认为零。
- 特点：数据段在进程创建时被分配，并在进程生命周期内存在。
3.堆（Heap）：
- 动态内存分配区域，程序可以通过
malloc,calloc,realloc等函数分配和释放内存。 - 特点：堆的大小在运行时可以动态变化，内存分配和释放需要管理。
4.栈（Stack）：
- 用于存储函数调用时的局部变量、函数参数、返回地址等。
- 特点：栈的大小是固定的，超出限制会导致栈溢出。栈的增长方向通常是从高地址向低地址。
5.内核空间（Kernel Space）：
- 内核代码和数据所在的区域，用户进程无法直接访问。
- 特点：用户进程通过系统调用进入内核空间，执行特权操作。
6.用户空间（User Space）：
- 进程可以访问的内存区域，包括代码段、数据段、堆和栈。
三、进程的生命周期
1.创建：
- fork()：创建一个新的进程（子进程），子进程是父进程的副本，复制父进程的所有资源。
- 特点：子进程与父进程拥有相同的代码、数据和堆栈，但拥有独立的地址空间和资源。
- exec()：用一个新的程序替换当前进程的映像。
- 特点：不创建新进程，而是替换当前进程的代码、数据和堆栈。
- clone()：类似于
fork()，但提供了更多的选项来控制子进程的资源共享。- 特点：常用于创建线程，允许父子进程共享某些资源。
2.运行：
- 进程在CPU上执行指令，状态为
RUNNING。 - 调度：多个进程通过调度算法轮流使用CPU资源。
3.等待：
- 进程等待某个事件（如I/O操作完成），状态为
SLEEPING或WAITING。 - 特点：进程在等待期间不消耗CPU资源，直到事件发生。
4.停止：
- 进程被信号（如
SIGSTOP）停止，状态为STOPPED。 - 特点：进程暂停执行，直到收到继续执行的信号（如
SIGCONT）。
5.终止：
- 正常终止：进程调用
exit()或从main函数返回，状态为TERMINATED。 - 异常终止：进程被信号（如
SIGKILL）终止。 - 特点：进程退出后，内核会回收其资源，父进程可以通过
wait()或waitpid()获取子进程的退出状态。
四、进程调度
Linux采用抢占式多任务调度机制，允许多个进程并发执行。调度算法决定了哪个进程在何时获得CPU资源。
1.调度策略：
- SCHED_OTHER：默认的调度策略，适用于普通进程，采用分时调度。
- SCHED_FIFO：实时调度策略，先入先出。
- SCHED_RR：实时调度策略，轮转调度。
2.调度算法：
- CFS（Completely Fair Scheduler）：完全公平调度器，是Linux默认的调度算法，根据进程的虚拟运行时间（vruntime）进行调度，确保每个进程公平地获得CPU时间。
- 实时调度：为需要及时响应的任务提供保证。
五、进程间通信（IPC）
进程间通信是指不同进程之间交换数据和控制信息的方式。常见的IPC机制包括：
1.管道（Pipes）：
- 特点：半双工的通信机制，用于在父子进程或不同机器上的进程之间传递数据。
- 类型：匿名管道（使用
|）和命名管道（FIFO）。
2.信号（Signals）：
- 特点：异步事件，用于通知进程发生了某个事件（如
SIGINT,SIGKILL）。 - 用途：信号可以用于进程间通信、错误处理和任务控制。
3.消息队列（Message Queues）：
- 特点：允许进程以消息的形式交换数据，支持消息的优先级和随机访问。
- 用途：适用于需要异步通信的场景。
4.共享内存（Shared Memory）：
- 特点：允许多个进程访问同一块内存区域，实现高效的数据共享。
- 用途：适用于需要频繁读写共享数据的场景。
5.信号量（Semaphores）：
- 特点：用于同步进程对共享资源的访问，防止竞争条件。
- 用途：控制多个进程对共享资源的访问顺序。
6.套接字（Sockets）：
- 特点：用于在不同机器上的进程之间进行网络通信。
- 用途：适用于网络编程和分布式系统。
六、进程与线程
1.线程：
- 定义：线程是进程中的执行单元，一个进程可以包含多个线程。
- 特点：
- 共享资源：线程共享进程的地址空间、文件描述符等资源，但拥有独立的栈和寄存器。
- 并发执行：多个线程可以并行执行，提高程序的并发能力。
- 轻量级：线程的创建和切换开销比进程小。
2.多线程的优势：
- 并发性：多个线程可以并行执行，提高程序的响应速度。
- 资源共享：线程之间共享内存，通信效率高。
- 轻量级：线程的创建和切换开销比进程小。
3.多进程与多线程：
- 多进程：适用于需要严格隔离的任务，进程间通信开销较大。
- 多线程：适用于需要高效共享数据的任务，但需要处理同步和互斥问题。
七、进程安全与权限
1.用户与组：
- 定义：每个进程都有一个所有者（用户）和所属组，决定了进程对系统资源的访问权限。
- 用途：通过用户和组来控制进程对文件、设备和网络资源的访问。
2.权限控制：
- 文件权限：控制进程对文件的读写执行权限。
- 能力（Capabilities）：细粒度的权限控制机制，允许进程拥有特定的能力而不需要完整的root权限。
- 访问控制列表（ACL）：提供更细粒度的权限控制。
3.沙箱机制：
- Linux Containers（如Docker）：通过命名空间和控制组（Cgroups）实现进程隔离。
- Seccomp：限制进程的系统调用，减少攻击面。
- AppArmor 和 SELinux：提供更强的安全策略和访问控制。