与进程相关的一些基础概念
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2024-06-02 06:55:00
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程序与进程

什么是程序

通常而言,一个程序是指一系列计算机指令的有序集合,这些指令被编写成代码,用于执行特定的任务或达到特定的目标。通常用计算机语言编写,每种编程语言都有其特定的语法和规则,可以让开发人员更容易地理解并编写复杂的软件和系统。

程序通常包含以下信息:

  • 源代码:程序员编写的文本文件,其中包含与程序相关的指令和逻辑。
  • 编译器:将源代码转换为计算机可以理解的二进制代码(可执行文件)的软件工具。
  • 可执行文件:计算机可以直接运行的二进制程序,通常是编译器生成的结果。
  • 库文件:包含事先写好的程序模块,提供了可重用的功能,可以在程序中调用。
  • 文档:程序文档,包括用户手册、API文档等,用于指导用户使用程序和开发人员编写程序。
  • 调试信息:程序员可以添加到程序中的附加信息,用于测试和调试程序。

总之,一个程序是由多个组件组成的,它们协同工作以实现所需的功能。

二进制可执行文件

对于程序,我们也可以更具象化的理解为一个可执行的二进制文件。这个二进制文件中包含了以下的信息,它们描述了如何在运行的时候创建一个进程:

  • 二进制格式标识:每个程序文件都包含用于描述可执行文件格式的元信息。内核利用此信息来解
    释文件中的其他信息。(ELF可执行连接格式)1
  • 机器语言指令:对程序算法进行编码。
  • 程序入口地址:标识程序开始执行时的起始指令位置。
  • 数据:程序文件包含的变量初始值和程序使用的字面量值(比如字符串)。
  • 符号表及重定位表:描述程序中函数和变量的位置及名称。这些表格有多重用途,其中包括调试
    和运行时的符号解析(动态链接)。
  • 共享库和动态链接信息:程序文件所包含的一些字段,列出了程序运行时需要使用的共享库,以
    及加载共享库的动态连接器的路径名。
  • 其他信息:程序文件还包含许多其他信息,用以描述如何创建进程。

什么是进程

进程是正在运行的程序的实例。是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元,在传统的操作系统中,进程既是基本的分配单元,也是基本的执行单元。可以用一个程序来创建多个进程,进程是由内核定义的抽象实体,并为该实体分配用以执行程序的各项系统资源。

从内核的角度看,进程由用户内存空间和一系列内核数据结构组成,其中用户内存空间包含了程序代码及代码所使用的变量,而内核数据结构则用于维护进程状态信息。记录在内核数据结构中的信息包括许多与进程相关的标识号(IDs)、虚拟内存表、打开文件的描述符表、信号传递及处理的有关信息、进程资源使用及限制、当前工作目录和大量的其他信息。

程序与进程的区别

程序,它是一个可执行的二进制文件。它只占用磁盘的大小。而不会去占用内存空间,以及CPU的资源。
而进程,它是正在运行中程序的实例,它是不占用磁盘空间的大小的,它占用的是内存的空间,以及CPU的资源。

单道程序与多道程序

单道程序,即在计算机内存中只允许一个的程序运行。

多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序,使它们在管理程序控制下,相互穿插运行,两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态, 这些程序共享计算机系统资源。引入多道程序设计技术的根本目的是为了提高 CPU 的利用率。

对于一个单 CPU 系统来说,程序同时处于运行状态只是一种宏观上的概念,他们虽然都已经开始运行,但就微观而言,任意时刻,CPU 上运行的程序只有一个。

在多道程序设计模型中,多个进程轮流使用 CPU。而当下常见 CPU 为纳秒级,1秒可以执行大约 10 亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级,所以看似同时在运行。

时间片

时间片(timeslice)又称为“量子(quantum)”或“处理器片(processor slice)”是操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段 CPU 时间。

事实上,虽然一台计算机通常可能有多个 CPU,但是同一个 CPU 永远不可能真正地同时运行多个任务。在只考虑一个 CPU 的情况下,这些进程“看起来像”同时运行的,实则是轮番穿插地运行,由于时间片通常很短(在 Linux 上为 5ms-800ms),用户不会感觉到。

时间片由操作系统内核的调度程序分配给每个进程。首先,内核会给每个进程分配相等的初始时间片,然后每个进程轮番地执行相应的时间,当所有进程都处于时间片耗尽的状态时,内核会重新为每个进程计算并分配时间片,如此往复。

并行与并发

并行(parallel):指在同一时刻,有多条指令在多个处理器上同时执行。

并发(concurrency):指在同一时刻只能有一条指令执行,但多个进程指令被快速的轮换执行,使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果,但在微观上并不是同时执行的,只是把时间分成若干段,使多个进程快速交替的执行。

举个例子:

  • 并发是两个队列交替使用一台咖啡机。

  • 并行是两个队列同时使用两台咖啡机。

进程控制块

为了管理进程,内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述。内核为每个进程分配一个 PCB(Processing Control Block)进程控制块,用于维护进程相关的信息。

Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体。在 /usr/src/linux-headers-xxx/include/linux/sched.h 文件中可以查
看 struct task_struct 结构体定义。其内部成员有很多,我们只需要掌握以下部分即可:

  • 进程id:系统中每个进程有唯一的 id,用 pid_t 类型表示,其实就是一个非负整数

  • 进程的状态:有就绪、运行、挂起、停止等状态

  • 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器

  • 描述虚拟地址空间的信息

  • 描述控制终端的信息

  • 当前工作目录(Current Working Directory)

  • umask 掩码

  • 文件描述符表,包含很多指向 file 结构体的指针

  • 和信号相关的信息

  • 用户 id 和组 id

  • 会话(Session)和进程组

  • 进程可以使用的资源上限(Resource Limit)


  1. ELF(Executable and Linkable Format)是一种用于执行文件、可重定位目标文件、核心转储文件的标准文件格式。
    它是类 UNIX 系统中广为接受的二进制文件格式,被 Linux、FreeBSD、Solaris以及其他许多操作系统所采用。ELF 可以支持不同体系结构的 CPU 指令集造成的二进制代码之间的兼容性问题,同时也提供了设计优良的动态链接器与装载器使得跨平台编译成为可能。
    每个 ELF 文件由一个 ELF 头和多个程序头组成(可执行文件需要),或多个节头组成(共享库需要);这些头部描述了文件各个部分在文件内存映像中的位置及大小,标记着最终可运行的程序在运行时如何被加载到内存中等信息,因此可以看作是程序中包含信息的一部分。 ↩︎

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