进程的概述
进程是计算机科学中的一个基本概念，它指的是在操作系统中正在执行的程序的实例
在Linux操作系统中，进程是程序执行的实体，是资源分配的基本单位
在在Ubuntu中，通过使用ps命令可以查看当前的进程列表
ps aux
进程与程序的区别
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定义：
- 程序：程序是一组指令的集合，它们被编写来执行特定的任务，存储在磁盘上的可执行文件中。程序是静态的，不包含关于执行状态的信息。
- 进程：进程是程序的执行实例，是程序在执行时的动态实体。它不仅包含程序代码，还包括程序计数器、寄存器、堆栈、内存分配等执行状态信息。
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存储位置：
- 程序通常存储在磁盘上，是持久的。
- 进程存在于内存中，是暂时的，随程序的执行而动态变化。
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执行：
- 程序本身不执行任何操作，它只是指令的集合。
- 进程是程序在执行时的实体，具有执行能力。
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生命周期：
- 程序的生命周期与文件系统相关，只要文件未被删除，程序就存在。
- 进程的生命周期与执行过程相关，一旦执行结束或被终止，进程就会消亡。
程序是一组静态的指令集合，而进程是这些指令在执行时的动态实体，包含了程序计数器、寄存器、内存等执行状态信息。程序是进程执行的基础，而进程是程序执行的载体。
并发与并行
并发（Concurrency）
- 定义：并发是指在计算机系统中，多个任务（程序或线程）似乎同时执行的能力。实际上，这些任务可能是交替执行的，但它们在时间上被分割，使得从外部看起来像是同时进行。
- 多任务处理：并发通常通过时间分片或多任务处理实现，操作系统将CPU时间分配给不同的任务，快速地在它们之间切换。
- 单核处理器：即使在单核处理器上，也可以通过操作系统的调度实现并发执行。
- 目的：并发的主要目的是提高资源利用率和系统吞吐量
并行（Parallelism）
- 定义：并行是指在计算机系统中，多个任务或计算过程真正同时执行的能力。
- 硬件支持：并行需要硬件支持，如多核处理器、多处理器或分布式计算系统。
- 同时执行：在并行计算中，任务或数据被分割成多个小块，每一块都在不同的处理器或计算节点上同时执行。
- 目的：并行的主要目的是减少程序的执行时间，通过并行处理可以显著提高计算速度。
区别
- 执行方式：并发是任务交替执行，给人一种同时执行的假象；并行是任务真正同时执行。
- 硬件要求：并发可以在单核上实现，而并行需要多核或多处理器。
- 性能提升：并行通常能提供更显著的性能提升，因为它减少了任务的总体执行时间。
- 复杂性：并行编程通常比并发编程更复杂，因为它需要处理数据同步、通信和潜在的竞态条件。
进程的空间分配
进程的空间分配
进程建立之后，系统则要为这个进程分配相应的空间，32位Linux系统中，会为每个进程分配 4G 的空间。
4G的进程空间主要分为两部分，高位1G是内核空间，低位3G是用户空间
用户空间又具体分为如下区间
stack : 存放非静态的局部变量
heap : 动态申请的内存
.bss : 未初始化过的全局变量（包括初始化为0的,未初始化过的静态变量(包括初始化为0)
.data : 初始化过并且值不为0的全局变量,初始化过的不为0静态变量
.rodata : 只读变量（字符串之类）
.text : 程序文本段（包括函数，符号常量）
Tips:1. 当用户进程需要通过内核获取资源时，会切换到内核态运行，此时当前进程会使用内核空间的资源
2. 用户需要切换到内核态运行时,主要是通过 系统调用
虚拟地址与物理地址
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物理地址（Physical Address）：
- 物理地址是内存单元在实际物理内存（RAM）中的实际地址。
- 它们是直接被内存管理单元（MMU）和CPU用来访问物理内存的地址。
- 物理地址的大小受限于系统的物理内存大小。
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虚拟地址（Virtual Address）：
- 虚拟地址是程序在执行时使用的地址，它们通过内存管理单元（MMU）转换为物理地址。
- 虚拟地址允许每个进程拥有自己的地址空间，这个地址空间不必与物理内存的实际布局相对应。
- 虚拟地址的大小通常由CPU的地址宽度决定，例如32位或64位。
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内存管理单元（MMU）：
- MMU是硬件组件，负责将虚拟地址转换为物理地址，这个过程称为地址转换。
- 当程序访问内存时，MMU查找它的页表，找到虚拟地址对应的物理地址。
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内存映射（Memory Mapping）：
- 内存映射是将文件或设备直接映射到虚拟地址空间的过程，这样可以使用虚拟地址来访问文件或设备。
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地址转换过程：
- 当程序访问一个虚拟地址时，MMU使用页表来确定对应的物理地址。
- 如果虚拟地址不在当前的页表中，将触发缺页异常（Page Fault），操作系统会处理这个异常，将缺失的数据加载到物理内存中。
在操作系统中使用虚拟地址空间主要是基于以下原因:
1.直接访问物理地址,会导致地址空间没有隔离,很容易导致数据被修改
2.通过虚拟地址空间可以实现每个进程空间都是独立的，操作系统会映射到不用的物理地址区间，在访问时互不干扰
Linux的状态管理
进程状态描述了进程在操作系统中的生命周期中的不同阶段
三态模型
进程的三态模型是操作系统中描述进程状态及其转换的基本理论，包括以下三种状态：
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运行态（Running）：进程当前正在执行，占用CPU资源。在单核系统中，只有一个进程处于此状态；而在多核系统中，可以有多个进程同时处于运行态 。
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就绪态（Ready）：进程已经具备了运行的所有条件，包括所需的资源，等待CPU调度执行。处于就绪状态的进程可能存在多个，它们通常被组织在就绪队列中等待CPU时间 。
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等待态（Waiting或Blocked）：又称阻塞态或睡眠态，进程正在等待某个事件的发生，如I/O操作完成或某些资源的可用性。在这种状态下，即使分配CPU资源，进程也无法立即执行 。
进程状态转换的主要场景包括：
- 运行态→等待态：进程可能因等待资源（如I/O操作）而从运行状态转换到等待状态。
- 等待态→就绪态：当进程所等待的事件发生，如I/O操作完成，进程从等待状态转换到就绪状态。
- 运行态→就绪态：由于时间片用完或出现更高优先级的进程，当前运行的进程可能会被挂起，转换到就绪状态。
- 就绪态→运行态：当CPU空闲或调度策略选中就绪队列中的进程时，进程从就绪状态转换到运行状态 。
三态模型简洁地描述了进程在生命周期中的基本状态及其转换，是操作系统中进程管理的核心概念之一。
五态模型
五态模型是操作系统中描述进程状态及其转换的一种模型，它在传统的三态模型基础上增加了新建态（new）和终止态（exit），具体包括以下五种状态：
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创建态（New）：
- 对应于进程被创建时的状态，此时进程已经拥有进程控制块（PCB），但其他资源尚未就绪，进程尚未进入就绪队列。创建进程需要两个步骤：分配所需的资源和建立管理信息，然后操作系统将该进程设置为就绪态并等待调度执行 。
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就绪态（Ready）：
- 进程已经具备了除CPU以外的所有必要资源，一旦获得CPU即可运行。系统中可能存在多个处于就绪状态的进程，它们通常被组织在就绪队列中等待CPU时间 。
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运行态（Running）：
- 进程当前正在执行，占用CPU资源。在单核系统中，只有一个进程处于此状态；而在多核系统中，可以有多个进程同时处于运行态 。
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等待态（Waiting或Blocked）：
- 进程正在等待某个事件的发生，如I/O操作完成或信号量等资源的可用性，因此暂时无法执行。即使分配了CPU资源，进程也无法立即运行，故称该状态为阻塞状态 。
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终止态（Exit）：
- 进程完成任务正常结束，或因错误异常终止，或被操作系统及有终止权的进程所终止时所处的状态。处于终止态的进程不再被调度执行，操作系统将进行善后处理，回收资源并最终从系统中删除该进程 。
五态模型通过引入新建态和终止态，更加细致地描述了进程从创建到结束的整个生命周期，为操作系统提供了更为丰富的状态管理和调度策略。
经常使用的进程状态：
（1）运行态(TASK_RUNNING) : 此时进程或者正在运行，或者准备运行,就绪或者正在进行都属于运行态
（2）睡眠态(TASK_SLEEP): 此时进程在等待一个事件的发生或某种系统资源
可中断的睡眠(TASK_INTERRUPT) : 可以被信号唤醒或者等待事件或者资源就绪
不可中断的睡眠(TASK_UNTERRUPT) : 只能等待特定的事件或者资源就绪
（3）停止态(TASK_STOPPED) : 进程暂停接受某种处理。例如：gdb调试断点信息处理。
（4）僵尸态（TASK_ZOMBIE）：进程已经结束但是还没有释放进程资源
Linux下进程的相关命令
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ps：查看当前运行的进程
ps -aux 显示所有进程的详细信息
ps -ef 列出所有的进程，相比 ps -aux 信息要少一些
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top：实时显示进程的资源占用情况，类似于Windows的任务管理器。
top -i:不显示任何闲置 (idle) 或无用 (zombie) 的进程
top -n:更新的次数，完成后将会退出top-
pgrep：根据名称或其他属性查找进程。
pgrep -u username 查找特定用户的所有进程-
kill：向特定PID的进程发送信号
kill -9 PID 发送SIGKILL信号以杀死进程-
pstree：以树状图展示进程和它们的父进程关系
pstree -p 显示进程树并包括进程的PID
结语：
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