进程相关概念

1、进程与程序

1、概念

程序（program）是包含了一系列信息的文件，而进程（process）是程序的一个实例。就像类与对象一样。程序中包含的信息描述了如何在运行时创建一个进程，内容有：

二进制格式标识：每个程序文件都有用来描述可执行文件格式的原信息，内核用这些信息来解释文件中的其他信息；
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：初始变量和字面常量等；
符号表及重定位表：描述程序中函数和变量的位置和名称；
共享库和动态链接信息；
其他信息：用来描述如何创建进程；

一个程序可以用来创建多个进程，就像可以对一个类可以实例化多个对象一样。而进程是由内核定义的抽象的实体，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使用的变量，而内核数据结构用来维护进程的状态信息。记录在内核数据结构中的信息包含许多与进程相关的标志号、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。

2、进程号

每个进程都有一个正数表示的进程号（PID），用来唯一标识进程。进程号可以作为各种系统调用的参数和返回值。如kill()和getpid()等。
系统调用getpid()返回调用进程的进程号，定义在<unistd.h>库中，原型如下：

pid_t getpid(void);

返回类型是pid_t，用来存储进程号。
每个进程都有一个创建自己的父进程，所有进程的始祖是init进程，因此，所有的进程构成了一棵以init进程为根的进程树。系统调用getppid()可以返回父进程的进程号。init进程号是1，调用getppid()也返回1。

2、进程内存

上图展示了进程内存的分布，可以看出内存是分为一段一段的，每一段称为“段（segment）”。一个进程内存有多个段：

文本段：包含程序机器语言指令，也叫代码段。文本段只能读不能写，这是为了防止错误指针修改代码内容。一个程序可以被用来创建多个进程，因此可以将文本段设为共享；
初始化数据段：包含显示初始化的全局变量和静态变量。当程序加载到内存时，从可执行文件中读取这些变量的值；
未初始化代码段：包含了未进行初始化的全局变量和静态变量。与初始化代码段分开的原因是，程序存储时不需要为未初始化的变量分配空间；
栈：由栈帧组成，系统会为每一个函数分配一个栈帧，用来存储局部变量、传递参数与返回结果等；
堆：是可在运行时动态进行内存分配的一块区域。

上图中标识argv和environ的地方用来存储命令行参数和环境变量。

3、虚拟内存

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。目前，大多数操作系统都使用了虚拟内存。

虚拟内存的使用使得进程的虚拟地址空间和RAM物理地址空间隔离开，优点如下：

进程与进程、进程与内核相互隔离，所以一个进程不能修改另一个进程或内核的内存；
内存中可以容纳更多的进程，提高了CPU的使用率；
两个或更多的进程可以共享内存；
便于实现内存保护机制；
程序的编写与编译无需关注程序在RAM中的物理地址；
程序中可以很小的一部分驻留在内存中，这样加载和运行速度变快。同时，一个程序需要的内存也可以超过实际大小。

4、命令行参数

C语言中都有个main函数作为程序的入口，main函数有两个参数，int型的argc和char ** 型的argv，第一个用来存储命令行参数的个数，第二个用来存储命令行参数，每个参数是以null结尾的字符串。其中，第一个参数，即argv[0]，通常是程序的名称。argv中的指针链表以NULL指针结尾。
下图展示了一个命令行参数的例子：



注意，命令行参数的局限之一就是只能被main函数使用。

5、环境列表

每一个进程都有与其相关的称之为环境列表的字符串数组，简称环境。每个字符串都以名称=值（name=value）的形式定义，可存储任何信息。我们将列表中的名称称为环境变量。
进程创建时，会继承父进程的环境副本，之后的操作互不影响彼此的环境。
下图是环境列表的数据结构，可以看到，环境列表和命令行参数很像：



在C语言中，可以使用全局变量char **environ来访问环境列表。如下面的程序打印环境变量：

#include <stdio.h>
extern char **environ;
int main(int argc,char *argv[])
{
char **ep;
for(ep=environ;*ep!=NULL;ep++)
puts(*ep);
return 0;
}

结果如下：