0.简介

进程是系统执行的核心单元，理解进程是我们诊断性能问题、开发高并发程序的基础。Linux进程深度解析系列将会从原理角度对进程进行深入分析，帮助读者系统的理解其设计的思路，让读者在理解原理的基础上同时能对自己的设计有借鉴意义。整体系列规划如下（从基础到核心机制再到实战），可能会增加或减少。

进程结构（本文）→ 2. 创建/终止原理 → 3. 调度策略 → 4. IPC机制 → 5. 多进程实战 → 6. 容器与进程隔离

本文就是第一篇，主要讲述进程的表示、内存的分布以及资源的管理。

1.进程的基本概念和生命周期

要理解进程的概念，我们可以回到当时的背景，根据操作系统的演变，理解其产生的原因。早期的计算机只能“独占式”的运行，这就导致CPU时间被大量的浪费；此时就提出了批处理的系统，内存中放多个程序，但是依赖于程序自己让出CPU，这就导致一个程序如果卡死，整个系统就瘫痪了；面对这种情况，分时系统应运而生，分时系统产生后，就需要一个概念去对各个运行的程序进行调度，进程应运而生（也就是增加了一层动态的抽象），后面又经历了多道程序设计，进程概念愈发成熟。

有了上面的描述，我们可以总结进程就是为了方便管理提出的程序运行的实例，有了它就可以对不同程序执行做统一的管理。

接下来我们来看进程的生命周期，可以从进程的状态来看：

2.进程的结构剖析（基于linux 5.10)

在linux系统中，进程通过task_struct结构来进行管理，其可以理解为进程涉及的模块的集合，每个模块又会有自己的结构体，同时带有封装和分治的思想，其部分如下，可以看到其存在链表来连接各个进程，这个在进程调度会详细描述。

struct task_struct {
volatile long state;	/*进程状态 -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped: */
/* Per task flags (PF_*), defined further below: */
unsigned int            flags;
unsigned int            ptrace;
...
unsigned long rt_priority;            //实时优先级
...
struct mm_struct *mm;
struct mm_struct *active_mm;   /*内存管理，像内存映射，页表等信息*/


pid_t pid;                     //进程id
pid_t tgid;                    //进程组id


...
/* Real parent process: */
struct task_struct __rcu    *real_parent;
/* Recipient of SIGCHLD, wait4() reports: */
struct task_struct __rcu    *parent;


struct list_head children;	        /* 子进程列表 */
struct list_head sibling;	        /* 兄弟进程列表 */
...


struct fs_struct *fs;                //文件系统信息
struct files_struct *files;            //打开的文件信息
...
/* VM state: */
struct reclaim_state        *reclaim_state;
struct backing_dev_info     *backing_dev_info;
struct io_context       *io_context;


//信号处理
struct signal_struct *signal;               
struct sighand_struct  __rcu *sighand;
...


/* CPU-specific state of this task: */
struct thread_struct        thread; 
};

3.进程内存布局

本节我们来从进程内存布局描述以及查看来了解相关内容，其整体布局如下：

1）文本段：程序代码的映射。

2）初始化数据段：在程序运行初期进行过初始化的数据。

3）未初始化数据段：在程序运行初期没有初始化的变量。

4）堆：动态分配的区域，向上增长。

5）栈：存储局部变量，临时变量，函数调用压栈等，向下增长。

我们可以通过下面的几个方式去查看内存布局：

1）使用  pmap -p  pid
2）使用  cat /proc/<pid>/maps
3）查看静态的程序，可以使用readelf，这个后面编译相关系列会详细讲解

4.进程资源管理

1）cpu资源管理：和调度算法相关，查看和修改可以使用如下命令。

ps -eo pid,ppid,comm,ni,pri,rtprio | grep <进程名>  # 查看调度参数
chrt -p 99 <pid>  # 设置进程为实时调度（优先级99）

2）内存资源管理：通过分页机制进行内存控制（通过页表映射物理地址，通过缺页中断加载物理页）；内存不足时，内核通过oom_killer选择 "最该被杀" 的进程（参考/proc/<pid>/oom_score）；可通过/etc/security/limits.conf配置进程内存限制。

top -p <pid>  # 查看进程内存占用
cat /proc/<pid>/status | grep -E "VmRSS|VmSize|OomScore"  # 查看内存详情

3）文件描述符管理：文件描述符（fd）是进程访问文件、套接字、管道等资源的整数句柄；每个进程默认最大打开文件数为 1024（可通过ulimit -n修改）。

lsof -p <pid> | wc -l  # 查看进程打开的文件数
cat /proc/<pid>/limits | grep files  # 查看文件描述符限制

4）资源限制与管控：可以使用ulimit来限制单个进程资源（cpu，内存，文件数等）；可以通过cgroups限制一组进程资源。

可以看到，进程资源的使用涉及计算机的方方面面，

5.真实例子

我们对一个进程进行实际分析，以mysqld为例：

1）查看进程基本信息

ps -p 636 -o pid,ppid,state,cmd
PID  PPID S CMD
636   491 S /home/openSource/DataBase/mysql/install/bin/mysqld --basedir=/home/openSource/DataBase/mysql/install --datadir=/home/openSource/DataBase/mysql/data --plugin-dir=/home/openSource/DataBase/mysql/install/lib/plugin --log-error=.er

2）查看进程的内存映射

cat /proc/636/maps
56015ce6f000-560160230000 r--p 00000000 08:20 258515                     /home/openSource/DataBase/mysql/install/bin/mysqld
560160230000-560162abe000 r-xp 033c1000 08:20 258515                     /home/openSource/DataBase/mysql/install/bin/mysqld
560162abe000-5601651a1000 r--p 05c4f000 08:20 258515                     /home/openSource/DataBase/mysql/install/bin/mysqld
5601651a2000-560165391000 r--p 08332000 08:20 258515                     /home/openSource/DataBase/mysql/install/bin/mysqld
560165391000-56016572b000 rw-p 08521000 08:20 258515                     /home/openSource/DataBase/mysql/install/bin/mysqld
56016572b000-560165d5f000 rw-p 00000000 00:00 0
560167c8f000-56016a275000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7f0210000000-7f0210021000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0210021000-7f0214000000 ---p 00000000 00:00 0
7f0214000000-7f0214021000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0214021000-7f0218000000 ---p 00000000 00:00 0
7f0218000000-7f0218021000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0218021000-7f021c000000 ---p 00000000 00:00 0
7f021c000000-7f021c021000 rw-p 00000000 00:00 0
7f021c021000-7f0220000000 ---p 00000000 00:00 0
7f0220000000-7f0220021000 rw-p 00000000 00:00 0
...

3）查看进程资源限制

cat /proc/636/limits
Limit                     Soft Limit           Hard Limit           Units
Max cpu time              unlimited            unlimited            seconds
Max file size             unlimited            unlimited            bytes
Max data size             unlimited            unlimited            bytes
Max stack size            8388608              unlimited            bytes
Max core file size        0                    unlimited            bytes
Max resident set          unlimited            unlimited            bytes
Max processes             31199                31199                processes
Max open files            8161                 8161                 files
Max locked memory         67108864             67108864             bytes
Max address space         unlimited            unlimited            bytes
Max file locks            unlimited            unlimited            locks
Max pending signals       31199                31199                signals
Max msgqueue size         819200               819200               bytes
Max nice priority         0                    0
Max realtime priority     0                    0
Max realtime timeout      unlimited            unlimited            us

6.总结

通过本篇我们对进程有了大概的了解，现在来简单总结一下它带给我们的借鉴意义，首先是对于进程概念的抽象，使用统一的模型屏蔽差异，方便维护；其次是隔离原则，我们可以看到进程有自己的空间，每个空间又有不同的职责，通过边界保证安全和稳定；再有就是通过动态的资源管理，可以根据自己的需要进行资源限制，保证效率和成本的平衡。