Linux操作系统基础篇：深度解析进程的常用命令
在日常生活中，你是否常常一边听着音乐，一边编辑文档，还时不时切换到浏览器查阅资料？在计算机的世界里，Linux 系统也在进行着类似的 “多任务” 操作，而这一切的背后，离不开 “进程” 这个关键角色。进程，简单来说，就是正在运行的程序实例。当你在 Linux 系统中启动一个程序，比如打开文本编辑器 Vim，系统就会为这个程序创建一个进程，分配必要的资源，如内存、CPU 时间等，让它能够在系统中 “活跃” 起来。这里要注意区分程序（Program）和进程（Process）。
程序是存储在磁盘上的可执行文件，它是静态的，就像一本写满指令的 “说明书”，静静地等待被执行；而进程则是程序的动态执行过程，它有自己的生命周期，从创建、运行到最终结束，就像一个充满活力的 “执行者”，按照程序的指令在系统中穿梭。进程的动态性体现在它会随着程序的执行而不断变化状态。在执行过程中，进程可能因为等待输入输出、获取资源等原因暂停，也可能在得到 CPU 的调度后继续运行 ，这种动态变化使得 Linux 系统能够高效地管理和调度多个任务。
一、进程控制块（PCB）
在 Linux 系统中，进程的管理离不开进程控制块（Process Control Block，简称 PCB），它就像是进程的 “秘密档案”，记录了进程的各种关键信息，是操作系统对进程进行管理和调度的重要依据。
当一个程序被加载到内存成为一个真正的进程时，操作系统会创建一个 PCB 来描述它。PCB 中存储了进程的标识符、状态、优先级、内存指针、程序计数器、I/O 状态信息等。以进程标识符（PID）来说，它是唯一标识一个进程的数字，就像我们每个人的身份证号码一样，操作系统通过 PID 来识别和管理不同的进程 。进程状态则记录了进程当前是处于运行、就绪、等待等哪种状态，以此决定进程的调度顺序。
除了这些核心字段，PCB 中还有一些其他字段也发挥着重要作用。比如优先级字段，它决定了进程在竞争 CPU 资源时的优先程度，优先级高的进程更容易获得 CPU 时间，从而优先执行；内存指针字段，它指向进程的代码段、数据段和栈段，让操作系统清楚进程的内存布局，便于进行内存管理 。
在 Linux 中，PCB 是通过task_struct结构体来实现的。这个结构体定义在 Linux 内核代码中，包含了与进程相关的所有信息，是内核进行进程管理和调度的核心。如果你对task_struct结构体的具体内容感兴趣，可以通过查看 Linux 内核源代码来一探究竟 。
通过一些命令，我们可以查看进程的相关信息，从而了解 PCB 中的部分内容。比如使用ps -ef命令，可以查看当前系统中所有进程的详细信息，包括进程 ID、父进程 ID、用户、CPU 使用率、内存使用率等；top命令则提供了一个交互式的进程状态监视界面，能实时显示进程的 CPU 使用率、内存使用率等动态信息 ，让你对进程的运行状态一目了然。
二、Linux进程的创建
在 Linux 系统中，创建进程是一个常见且重要的操作，而fork()函数就是实现这一操作的关键 “魔法” 函数。
fork()函数的作用是创建一个子进程，这个子进程是父进程的一个副本。当fork()函数被调用时，操作系统会为子进程分配一个新的进程控制块（PCB），并复制父进程的大部分资源，包括代码段、数据段、堆、栈等 。这里的复制采用了 “写时拷贝”（Copy-On-Write，简称 COW）技术，也就是说，在子进程创建之初，父子进程共享相同的物理内存页面，只有当其中一个进程试图修改数据时，才会真正复制一份数据到新的物理内存页面，这样可以节省内存资源，提高创建进程的效率 。
在代码层面，fork()函数调用一次会返回两次，在父进程中返回子进程的进程 ID（PID），而在子进程中返回 0 。通过判断fork()函数的返回值，我们可以区分父子进程，从而让它们执行不同的代码逻辑。下面是一个简单的示例代码：
在这个示例中，fork()函数创建了一个子进程。父进程和子进程都会继续执行fork()函数之后的代码，通过判断pid的值，我们可以让父子进程分别打印出不同的信息，展示它们的身份和关系 。
在父子进程共享代码和数据方面，虽然它们在创建之初共享相同的物理内存页面，但这并不意味着它们的数据是完全共享的。当其中一个进程对数据进行写操作时，由于写时拷贝机制，会为该进程分配新的物理内存页面来存储修改后的数据，而不会影响另一个进程的数据 。例如，父子进程都有一个全局变量count，如果子进程修改了count的值，父进程中的count值并不会改变 ，这体现了进程之间数据的独立性。
写时拷贝技术在进程创建中有着显著的优势。它避免了在进程创建时对大量数据的不必要复制，大大提高了进程创建的速度，减少了内存的占用 。尤其是在创建大量进程或者复制大量数据的场景下，写时拷贝技术能够显著提升系统的性能和资源利用率 。比如在服务器应用中，可能需要频繁创建子进程来处理客户端的请求，使用写时拷贝技术可以让服务器更高效地响应请求，减少系统开销 。
除了fork()函数，exec系列函数也是进程创建和控制中的重要角色，它们的作用是用一个新的程序替换当前进程的内存空间，包括代码段、数据段、堆和栈等 。也就是说，当一个进程调用exec系列函数时，它会放弃当前正在执行的程序，转而执行一个新的程序 。
exec系列函数有多个变体，如execl、execv、execlp、execvp、execle、execvpe等 ，它们的主要区别在于参数的传递方式和对环境变量的处理。以execl函数为例，它的函数原型为int execl(const char *path, const char *arg, ...);，其中path是要执行的程序的路径，arg是传递给程序的参数列表，参数列表以NULL结尾 。而execlp函数的原型为int execlp(const char *file, const char *arg, ...);，它会根据环境变量PATH来查找要执行的程序，不需要指定完整的路径 。
在实际应用中，fork()和exec()常常结合使用 。比如在 Shell 中，当我们输入一个命令时，Shell 会先调用fork()创建一个子进程，然后子进程调用exec()函数来执行用户输入的命令 。这样可以保证 Shell 进程在执行命令的过程中不会被阻塞，能够继续接受用户的输入 。下面是一个简单的示例代码，展示了fork()和exec()的结合使用：
在这个示例中，父进程调用fork()创建子进程，子进程调用execlp()函数执行ls -l命令，列出当前目录下的文件列表 。如果exec执行成功，子进程的内存空间会被ls程序替换，不会再返回原来的代码；如果执行失败，会打印错误信息并退出 。父进程通过wait(NULL)等待子进程结束，然后打印提示信息 。
三、Linux进程的前台、后台与守护进程
在 Linux 系统中，进程有着不同的 “生活方式”，其中前台进程、后台进程和守护进程是最为常见的三种类型，它们在运行特性、与用户交互方式以及应用场景等方面都有着明显的区别。
3.1 前台进程：与用户直接互动的 “活跃分子”
前台进程是与用户直接交互的进程，它会独占当前的终端（Terminal）。当你在终端中输入一个命令并直接执行，如ls -l，这就启动了一个前台进程。在这个进程运行期间，终端会被它占用，你无法在终端中输入其他命令，直到该进程执行完毕或被你手动终止 。比如，当你运行一个需要用户不断输入数据的程序时，它就是前台进程，你必须专注于与这个进程交互，等待它的响应 。
3.2 后台进程：默默工作的 “幕后英雄”
后台进程则是在后台运行的进程，它不会占用终端的输入输出，你可以在启动后台进程后继续在终端中执行其他命令 。在命令行尾加上 “&” 符号，就可以将一个命令放到后台执行 。例如，如果你要运行一个耗时较长的脚本test.sh，不想让它阻塞终端，可以使用./test.sh &的方式启动它 。
后台进程继承当前会话（Session）的标准输出（stdout）和标准错误（stderr），所以它的输出依然会同步地在命令行下显示，但它不再继承当前会话的标准输入（stdin），你无法向这个任务输入指令 。如果你想查看当前终端后台运行的任务，可以使用 jobs 命令；若要将后台中的命令调至前台继续运行，使用 fg 命令；而 bg 命令则可以将一个在后台暂停的命令，变成在后台继续执行 。
3.3 守护进程：系统稳定运行的 “忠诚卫士”
守护进程（Daemon）是一种特殊的后台进程，它完全脱离控制终端和会话，在系统后台默默地运行，不受用户登录和注销的影响 。它的主要特点包括无控制终端，避免受到终端的干扰；不占用前端资源，允许正常执行其他 bash 命令 。Linux 系统的大多数服务器就是用守护进程实现的，比如 Internet 服务器 inetd、Web 服务器 httpd、邮件服务器 sendmail、数据库服务器 mysqld 等 。
这些守护进程在系统启动时就开始运行，除非强行终止，否则会一直运行到系统关机 。守护进程一般以 root 用户权限运行，因为它们需要使用某些特殊的端口（1 - 1024）或者资源 。而且，守护进程的父进程一般都是 init 进程，它是非交互式程序，没有控制终端，所以任何输出都需要特殊处理，通常会将标准输入、输出、错误重定向到/dev/null（黑洞文件）或者日志文件 。
为了让进程变成守护进程，可以使用nohup命令，它可以在你退出帐户 / 关闭终端之后继续运行相应的进程 。例如，nohup ./test.sh > a.txt 2>&1 &，这个命令将test.sh脚本以守护进程的方式运行，输出重定向到a.txt文件 。也可以在代码层面通过调用daemon函数或者手动实现一系列步骤，如创建子进程、调用setsid创建新会话、改变工作目录、重设文件权限掩码、关闭不需要的文件描述符等 。
以 Web 服务器httpd为例，它作为守护进程，在系统后台持续运行，监听特定的端口（如 80 或 443），等待客户端（如浏览器）的请求 。当收到请求时，它会处理请求并返回相应的网页内容，为用户提供 Web 服务 ，整个过程无需用户手动干预，也不会受到终端操作的影响 。再比如系统日志进程syslogd，它负责记录系统的各种日志信息，从系统启动开始就一直默默运行，不断地将系统产生的日志消息记录到指定的日志文件中，为系统的维护和故障排查提供重要依据 。
四、Linux进程管理常用命令
在 Linux 系统中，熟练掌握进程管理命令是高效运维和开发的关键。这些命令就像是一把把 “瑞士军刀”，在监控和控制进程时发挥着不可或缺的作用。下面，我们就来深入了解一些常用的进程管理命令 。
4.1 ps：进程状态查看利器
ps（Process Status）命令用于查看当前系统中运行的进程状态，它就像是进程世界的 “摄影师”，能为我们拍摄进程的 “快照”，提供有关进程的详细信息 。
该命令将显示进程的详细信息，例如进程 ID、占用 CPU 的百分比、进程的状态、运行时间等等。
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常用选项及示例：
-ef：以完整格式显示所有进程信息，包括用户 ID（UID）、进程 ID（PID）、父进程 ID（PPID）、CPU 使用率（C）、启动时间（STIME）、终端设备（TTY）、进程运行所占的 CPU 时间（TIME）以及启动该进程的命令（CMD）等 。例如，执行ps -ef，会得到类似如下的输出：
-aux：显示所有用户的进程，包括用户（USER）、PID、CPU 使用率（% CPU）、内存使用率（% MEM）、虚拟内存大小（VSZ）、常驻内存大小（RSS）、终端设备（TTY）、进程状态（STAT）、启动时间（START）、进程使用的 CPU 时间（TIME）以及启动进程的命令（COMMAND）等 。例如，ps -aux的输出如下：
4.2 top：实时监控的动态仪表盘
top命令是 Linux 系统中常用的实时系统监控工具，它就像是一个动态的 “仪表盘”，能够实时展示系统中各个进程的资源占用状况，类似于 Windows 的任务管理器 。
该命令将显示进程的详细信息，例如进程 ID、占用 CPU 的百分比、进程的状态、运行时间等等。您还可以使用 top 命令来查看进程的资源使用情况，例如 CPU、内存和 I/O。
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主要功能和用途：
实时监控：提供一个实时的、动态的视图，展示系统当前的状态，包括系统运行时间、登录用户数、平均负载等 。平均负载是指在特定时间间隔内，系统处于运行状态和不可中断状态的平均进程数，是衡量系统负载的重要指标 。进程管理：允许用户查看系统中各个进程的运行状态，包括PID、用户、优先级、虚拟内存使用量、物理内存使用量、共享内存量、状态（如运行、睡眠、停止等）、CPU使用率、内存使用率、运行时间以及命令行名称等 。用户可以通过交互命令对进程进行排序、杀死、调整优先级等操作 。资源监控：监控 CPU 的总体使用率、用户空间占用率、系统空间占用率等；展示物理内存和交换空间（swap）的使用情况，包括总量、已用量、空闲量等 。基本用法：在终端中输入top命令并回车，即可启动top程序。默认情况下，它会显示系统中所有进程的列表，并按照 CPU 使用率进行排序 。
常用选项：
-u：仅显示指定用户的进程，如top -u root，只显示root用户的进程 。-n：指定top命令更新的次数，之后自动退出，例如top -n 5，表示更新 5 次后退出 。-d：设置屏幕更新的间隔时间，默认为 3 秒，如top -d 5，表示每 5 秒更新一次屏幕 。-b：以批处理模式运行，通常与重定向结合使用，将输出保存到文件中，例如top -b -n 1 > top_output.txt，将单次更新的数据快照保存到top_output.txt文件中 。-H：以线程模式显示，显示每个线程的详细信息，而非仅显示进程 。交互命令：在 top 运行时，用户可以通过一系列交互命令来改变显示的内容或排序方式 。例如，按P键以 CPU 使用率排序；按 M 键以内存使用率排序；按T键以时间 / 累计时间排序；按 f 或 F 键进入字段管理界面，允许用户自定义显示的字段；按k键杀死一个进程，需要输入进程的 PID 和信号；按r键重新设定进程的优先级；按 q 键退出top 。
4.3 htop：更强大的交互式监控工具
htop是一款强大的交互式系统监控工具，它在top的基础上进行了增强，提供了更直观的界面和更丰富的操作功能 。该命令将显示进程的详细信息，例如进程 ID、占用 CPU 的百分比、进程的状态、运行时间等等。您可以使用 htop 命令来查看进程的资源使用情况，例如 CPU、内存和 I/O，并且可以使用键盘快捷键来进行交互式操作。
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特点和优势：
友好的界面：使用彩色显示，信息一目了然，支持鼠标操作，操作更加便捷 。详细的进程信息：不仅显示进程基本信息，还展示每个进程完整命令行，方便用户了解进程的具体执行情况 。强大的交互功能：提供了更多的快捷键操作，例如按F1键显示帮助页面；按F2键进入设置菜单；按F3键搜索进程；按F4键过滤进程；按F5键以树状视图显示进程层次结构；按F6键选择不同的排序方式，如按 CPU 使用率、内存使用率等；按F7和F8键增加或减少进程的nice值；按F9键杀死进程；按F10键退出htop 。显示界面：htop命令显示的界面主要由标题栏、进程列表、柱状图区域和快捷键提示栏四个部分组成 。标题栏位于界面的顶部，显示系统的整体状态，包括 CPU 使用率、内存占用、进程数等；进程列表位于界面的主要部分，显示当前运行的进程及其相关信息；柱状图区域位于界面的左侧或右侧或顶部，以柱状图的形式展示系统资源的使用情况，如 CPU 使用率、内存占用、磁盘读写等；快捷键提示栏位于界面的底部，显示常用的快捷键操作，帮助用户快速了解和使用htop的功能 。
常用选项：
-d：设置更新之间的延迟，例如htop -d 5，表示屏幕更新之间的延迟为 5 秒 。-u：仅显示用户拥有的进程，如htop -u user，只显示user用户的进程 。-p：仅显示具有特定 ID 的进程，如htop -p 1234，只显示进程 ID 为 1234 的进程 。-s：对给定列的进程进行排序，如htop -s %CPU，按 CPU 使用率对进程进行排序 。-t：在命令列的树视图中显示进程层次结构 。--no-color：在单色模式下打开htop，禁用颜色 。4.4 pgrep：精准查找进程 ID
pgrep是一个用于根据名称、用户、组和其他标准搜索进程的实用程序，它能帮助我们快速找到匹配给定模式的运行进程的进程 ID（PID） 。
常用选项及示例：
-u：查找特定用户拥有的进程，例如pgrep -u root，查找root用户拥有的所有进程 。-g：查找特定组中的进程，如pgrep -g group_name，查找属于group_name组的进程 。-P：查找给定父 PID 的子进程，例如pgrep -P 1234，查找父进程 ID 为 1234 的所有子进程 。-f：与完整命令行进行匹配（不仅仅是进程名称），如pgrep -f "python app.py"，查找执行python app.py命令的进程 。-l：显示进程名称及其 PID，例如pgrep -l bash，输出结果中会同时显示进程 ID 和进程名称 。-o：仅返回第一个匹配的进程，如pgrep -o firefox，只返回第一个匹配的firefox进程的 ID 。-v：反向搜索（返回与模式不匹配的进程），例如pgrep -v -f "bash"，返回所有不是执行bash命令的进程 。-c：打印出匹配的数量，如pgrep -c java，输出当前系统中java进程的数量 。-x：完全匹配（即匹配命令的全名），例如pgrep -x sshd，只匹配进程名为sshd的进程，而不会匹配包含sshd的其他进程名 。-d：指定 PID 的分隔符，默认是换行符，如pgrep ssh -d ，输出的多个ssh进程 ID 之间用空格分隔 。-i：匹配时不区分大小写，例如pgrep -i FIREFOX，可以匹配到firefox进程 。-n：仅选择最新的（最近启动的）匹配进程，如pgrep -n chrome，返回最近启动的chrome进程的 ID 。4.5 pkill：精准终止进程
pkill命令用于根据进程名称或其他属性终止进程，它结合了pgrep和kill的功能，能够更方便地终止符合条件的进程 。
常用选项及示例：
-9：强制杀死进程，这是最常用的选项之一，用于终止那些难以正常结束的进程 。例如，pkill -9 firefox，强制杀死所有firefox进程 。-15：默认信号，用于正常终止进程，尝试让进程优雅地关闭 。例如，pkill -15 apache2，正常终止所有apache2进程 。-u：指定运行用户，例如pkill -9 -u redis redis-server，强制杀死redis用户运行的redis-server进程 。-f：与完整命令行进行匹配，如pkill -f "python app.py"，终止执行python app.py命令的进程 。4.6 kill：灵活的进程信号发送
kill命令用于向进程发送信号，它可以让我们对进程进行各种控制，如终止进程、暂停进程、恢复进程等 。
信号介绍：在 Linux 系统中，信号是一种异步事件通知机制，用于向进程传递各种事件或请求 。常见的信号有：
SIGTERM（15）：默认的终止信号，进程收到该信号后，会尝试正常终止，清理资源等 。SIGKILL（9）：强制终止信号，进程收到该信号后，会立即终止，不会进行任何清理操作，通常用于终止那些无法正常响应SIGTERM信号的进程 。SIGSTOP（17,19,23）：暂停进程，进程收到该信号后，会停止运行，但不会释放资源 。SIGCONT（18,20,25）：恢复被暂停的进程，让其继续运行 。使用示例：
要终止进程 ID 为 1234 的进程，可以使用kill 1234（默认发送SIGTERM信号），如果该进程没有响应，可以使用kill -9 1234强制终止 。要暂停进程 ID 为 5678 的进程，可以使用kill -STOP 5678；要恢复该进程，可以使用kill -CONT 5678 。4.7 killall：按名称批量终止进程
killall命令用于根据进程名称终止一组进程，它可以一次性终止所有符合条件的进程，非常方便 。
使用示例：
要终止所有httpd进程，可以使用killall httpd，它会向所有名为httpd的进程发送SIGTERM信号，尝试正常终止它们 。如果需要强制终止，可以使用killall -9 httpd，向所有httpd进程发送SIGKILL信号 。4.8 pgrep：强大的进程查找
pgrep命令是一个强大的进程查找工具，它可以根据各种条件查找进程 。除了前面提到的选项，还可以结合正则表达式进行更灵活的查找 。示例：
要查找所有命令行中包含apache的进程，可以使用pgrep -f apache 。要查找当前用户运行的所有bash进程，可以使用pgrep -u $USER bash 。4.9 pidof：快速获取进程 ID
pidof命令用于快速获取指定进程名称的进程 ID，它的输出非常简洁，只包含进程 ID 。
使用示例：要获取nginx进程的 ID，可以使用pidof nginx，如果系统中有多个nginx进程，它会输出所有进程的 ID，以空格分隔 。
4.10 nice和renice：调整进程优先级
在 Linux 系统中，进程的优先级决定了它在竞争 CPU 资源时的优先程度 。nice和renice命令用于调整进程的优先级，让我们可以根据实际需求合理分配系统资源 。
nice 命令：nice命令用于以指定的优先级启动一个新进程 。优先级的范围是 - 20（最高优先级）到 19（最低优先级），默认优先级是 0 。例如，要以较高的优先级（-5）启动python程序，可以使用nice -n -5 python my_script.py。这里，-n选项用于指定优先级 。renice 命令：renice命令用于调整已经运行的进程的优先级 。例如，要将进程 ID 为 1234 的进程优先级调整为 10，可以使用renice 10 1234 。如果要调整所有属于user用户的进程优先级为 5，可以使用renice 5 -u user 。