【Linux进程概念】—— 操作系统中的“生命体”，计算机里的“多线程”-linux运维-PHP中文网

引言导入

在计算机系统的底层架构中，操作系统肩负着资源管理与任务调度的重任。当我们启动各类应用程序时，其背后复杂的运作机制便悄然展开。程序，作为静态的指令集合，如何在系统中实现动态执行？

进程，这一关键概念应运而生。进程是程序在操作系统中的一次执行实例，它承载着程序运行所需的系统资源、内存空间、执行状态等关键信息，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。深入剖析进程概念，不仅能让我们洞悉操作系统的核心运行机制，更能为后续学习多线程、并发编程等前沿技术筑牢根基。接下来，让我们一同踏上这场探索进程世界的技术之旅。冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture）是现代计算机的理论基础，由美籍匈牙利科学家约翰·冯·诺依曼在1945年提出（基于早期科学家如埃克特、莫奇利等人的工作）。这一架构的核心思想是“存储程序”（Stored-Program），即计算机的指令和数据以二进制形式共同存储在同一个存储器中，通过逐条读取指令并按顺序执行来完成任务。

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。关键组成部分运算器（ALU）：负责算术和逻辑运算。控制器（CU）：指挥其他部件协调工作（如从内存读取指令、解码并执行）。存储器（内存）：存储程序和数据，按地址访问。输入设备（如键盘、鼠标）：将外部信息输入计算机。输出设备（如显示器、打印机）：将计算结果反馈给用户。（注：运算器 + 控制器 = 中央处理器CPU）五大模块的详细功能运算器（ALU, Arithmetic Logic Unit）

负责执行所有算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与、或、非、移位）。通过寄存器（如累加器）临时存储运算数据。

控制器（CU, Control Unit）

指令周期：通过“取指-解码-执行”循环驱动计算机工作：取指（Fetch）：从内存中读取下一条指令。解码（Decode）：解析指令含义（如“将数据从地址A加载到寄存器”）。执行（Execute）：向相关部件（如ALU、内存）发送控制信号完成操作。通过程序计数器（PC）追踪下一条指令的地址，通过指令寄存器（IR存储当前指令）

存储器（Memory）

按地址访问的线性存储空间，存储程序指令和数据。内存分级：现代计算机扩展为多级存储（寄存器→高速缓存→主存→磁盘），缓解速度与容量矛盾。

输入/输出设备（I/O）

通过总线与CPU交互，例如键盘输入数据到内存，或显示器从内存读取结果。

总线（Bus）

数据总线：传输指令和数据。地址总线：指定内存或设备的访问位置。控制总线：传递控制信号（如读/写、中断请求）。

核心特点“存储程序”思想：程序和数据以二进制形式存储在同一个存储器中，计算机通过读取指令逐条执行，无需物理上重新布线（早期计算机的痛点）。顺序执行：CPU按内存中的指令顺序依次执行（除非遇到跳转指令）。共享总线：指令和数据通过同一总线传输，可能导致性能瓶颈（即“冯·诺依曼瓶颈”）。意义与局限性意义：结束了早期计算机“专用化”的设计模式，使通用计算成为可能，推动计算机小型化与普及。局限性：指令和数据共享总线，导致效率受限。现代计算机通过缓存、多级存储、并行计算（如哈佛结构分离指令与数据总线）等方式优化。

关于冯诺依曼，必须强调几点：

这里的存储器指的是内存不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。⼀句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

一句话总结

冯·诺依曼体系结构通过“存储程序”和五大模块的协同，定义了计算机如何存储、处理信息，成为现代计算机的基石。

操作系统(Operator System)

大家熟悉的操作系统：

什么是操作系统

操作系统（Operating System，简称 OS）是计算机系统的核心软件，扮演着“管理者”的角色，负责协调硬件资源（如CPU、内存、硬盘等）与软件应用之间的交互，并为用户和应用程序提供简单、高效的使用环境。

任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，⽂件管理，驱动管理）其他程序（例如函数库，shell程序等等）

一句话总结

操作系统是一款管理计算机所有软硬件资源的软件为什么要设计操作系统直接操作硬件的复杂性：普通用户和开发者无法手动管理CPU指令、内存地址等底层细节。资源冲突问题：如果没有操作系统协调，多个程序可能同时争夺同一硬件资源，导致崩溃。效率提升：通过优化资源分配（如内存缓存、磁盘调度算法），最大化硬件性能。

简单来说就是

对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源对上，为用户程序（应用程序）提供⼀个良好的执行环境

操作系统的构成

内核（Kernel）

操作系统的核心，直接管理硬件和关键资源（如内存、进程）。

类型：

宏内核（如Linux）：功能集中在内核中，效率高但复杂度高。微内核（如QNX）：仅保留核心功能，其他服务以模块形式运行，稳定性强。

系统服务层

提供文件管理、网络通信、设备驱动等基础服务。例如：Windows的服务管理器（Services.msc）、Linux的守护进程（Daemon）。

用户界面（Shell）

用户与系统交互的入口，如Windows资源管理器、macOS的Finder。

应用程序接口（API）

供开发者调用的标准化接口，例如：Windows的Win32 API、Linux的POSIX标准。

操作系统的定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：⼀款纯正的“搞管理”的软件

如何理解"管理"?

在生活中，所有的管理，无论是校长管理学生，老板管理员工，还是政府管理公民，都离不开一句话 —— 先描述，再组织！

就拿校长管理学生的例子来说，校长可以先对每个学生进行全面的描述，一个学生的姓名，学号，性别，年龄，籍贯，紧急联系人，入学年份，毕业年份，高考成绩，绩点，学分，在学校的职位，体测情况，各科成绩…

有了所有学生的描述后，将这些学生组织起来，比如分为班级，学院，宿舍等… 进行统一的管理

站在计算机的角度

操作系统就是校长，即管理者各种软硬件资源就是学生，即被管理者

操作系统对软硬件的管理，也遵循着 先描述，再组织！，即操作系统将各种软硬件通过各自的结构体进行描述，再将这些结构体统构成一个全局的双链表，即操作系统对软硬件的管理就转换成了对链表的增删查改！

一句话总结

计算机管理软硬件

描述起来，用struct结构体组织起来，用链表或其他高效的数据结构

操作系统的核心功能

系统的核心功能是管理和协调计算机硬件与软件资源，为用户和应用程序提供高效、安全且易用的环境。

资源管理：协调硬件与软件资源

处理器（CPU）管理

任务调度：通过算法（如轮转调度、优先级调度）决定哪个进程使用CPU，平衡响应时间和效率。多任务处理：在单核上通过时间片轮转“模拟”并行，或在多核上真正并行执行任务。

内存管理

分配与回收：为程序分配内存空间，释放不再使用的内存（如关闭程序后）。虚拟内存：利用磁盘空间扩展物理内存，允许运行比实际内存更大的程序。内存保护：防止程序越界访问其他进程的内存（避免崩溃或安全漏洞）。

设备管理

驱动程序：为不同硬件（如打印机、显卡）提供统一接口，简化操作。I/O调度：优化外设访问顺序（如电梯算法减少磁盘寻道时间）。

存储管理（文件系统）

文件组织：以目录树形式管理数据，用户无需关心物理存储位置。磁盘空间分配：跟踪空闲区块，高效分配文件存储空间。

用户接口：提供人机交互方式

图形界面（GUI）

例如：Windows的桌面、macOS的访达，用户通过点击图标、拖拽文件操作。

命令行界面（CLI）

例如：Linux的Terminal，输入命令（如ls、cp）直接控制系统。

应用程序接口（API）

开发者调用系统功能（如“打开摄像头”），无需重写底层代码。

抽象与简化：隐藏硬件复杂性

硬件抽象层（HAL）

将硬件差异（如不同厂商的CPU指令）封装成统一指令，实现跨设备兼容。例如：游戏开发者调用DirectX API，无需为每款显卡单独适配。

系统调用（System Call）

提供标准接口供程序请求服务（如读写文件、创建进程）。

多任务与进程管理

进程与线程

进程：独立运行的程序实例（如同时打开两个浏览器窗口）。线程：进程内的子任务（如浏览器同时下载文件和渲染页面）。

进程同步与通信

协调多个进程访问共享资源（如信号量、互斥锁）。例如：防止两个程序同时修改同一文件导致数据损坏。

安全与权限控制

用户身份验证

登录密码、指纹识别等确保合法用户访问。

访问控制列表（ACL）

限制用户或程序对文件、设备的操作权限（如只读、不可执行）。

沙箱机制

隔离高风险程序（如浏览器插件），防止其破坏系统。

错误检测与容错

异常处理

捕获硬件错误（如内存溢出）或软件崩溃，避免系统宕机。

日志记录

记录系统事件（如错误、用户操作），便于故障排查。

操作系统的核心功能本质是让复杂变得简单，用户无需理解硬件细节即可高效使用计算机，同时确保资源公平、安全地服务于所有任务。

库函数和系统调用在开发角度，操作系统对外会表现为⼀个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库函数，就很有利于更上层用户或者开发者进行⼆次开发。

核心定义

库函数

系统调用

由编程语言或第三方库提供的预定义函数（如C标准库的printf()）

操作系统内核提供的底层接口（如Linux的read()）

运行在用户态，无权限切换开销

需切换至内核态（通过软中断或特殊指令）

示例：fopen()内部可能调用open()系统调用

示例：直接操作硬件资源（如内存分配、进程调度）

交互关系

库函数调用系统调用的方式

直接封装示例：fopen() → open()间接组合示例：printf() → 格式化数据 → write()

系统调用的独立性

可通过汇编直接调用（如Linux汇编调用exit()）实际开发中通常通过库函数间接调用

典型示例

场景

库函数

系统调用

文件操作

fread(), fwrite()

read(), write()

内存管理

malloc(), free()

brk(), mmap()

网络通信

send(), recv()

sendto(), recvfrom()

进程控制

system()

fork(), execve()

关键设计差异

系统调用的限制

安全性：受严格权限控制（如普通用户无法调用reboot()）易用性：隐藏底层细节（如printf()自动类型转换）跨平台：通过适配不同系统调用实现"一次编写，多处编译"

总结：两者协作的意义

豆包AI编程

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效率与安全平衡：高频操作用户态处理，敏感操作内核态管控抽象层级分离：开发者友好接口 vs 硬件直接控制生态兼容性：屏蔽系统差异，提升代码可移植性库函数与系统调用对比指南

基础对比表（单层结构）

对比维度

库函数

系统调用

定义

编程语言或第三方库提供的函数（如printf()）

操作系统内核提供的底层接口（如read()）

运行模式

始终在用户态执行

需从用户态切换到内核态（通过中断/特殊指令）

性能开销

低（无权限切换）

高（上下文切换消耗资源）

可移植性

依赖库的跨平台能力

与操作系统强绑定

功能特性

封装逻辑或组合多个系统调用

直接操作硬件资源（内存/设备/进程等）

快速记忆表格（高亮关键区别）

特性

? 库函数

⚙️ 系统调用

调用方式

直接函数调用

需通过软中断（如int 0x80）

失败处理

通常返回错误码

设置全局errno变量

执行速度

纳秒级（无上下文切换）

微秒级（涉及内核切换）

版本依赖

随库更新可能变化

保持长期兼容性

典型示例

strlen(), qsort()

getpid(), sched_yield()

那在还没有学习进程之前，就问大家，操作系统是怎么管理进行进程管理的呢？很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来

进程概念和查看

进程是操作系统中资源分配和调度的基本单位，是计算机程序运行的实例化体现。

课本概念：程序的⼀个执行实例，正在执行的程序等内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。进程控制块 — PCB

进程的描述信息被放在⼀个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。课本上称之为PCB（process control block）

在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct，task_struct是PCB的⼀种

task_struct是Linux内核的⼀种数据结构，它会被装载到RAM(内存)⾥并且包含着进程的信息。Linux下的task_struct

内容分类：

标识符: 描述本进程的唯⼀标识符，用来区别其他进程。状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。优先级: 相对于其他进程的优先级。程序计数器: 程序中即将被执行的下⼀条指令的地址。内存指针: 包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据[要加图CPU，寄存器]。I/O状态信息: 包括显⽰的I/O请求,分配给进程的I∕O设备和被进程使用的文件列表。记账信息: 可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。

进程标识信息

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<code class="javascript">pid_t pid;             // 进程IDpid_t tgid;            // 线程组ID（主线程PID）struct task_struct *group_leader; // 线程组领导者</code>

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进程状态管理

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<code class="javascript">volatile long state;    // 进程状态/* 典型状态值：   TASK_RUNNING    (0)  可运行   TASK_INTERRUPTIBLE (1) 可中断睡眠   TASK_UNINTERRUPTIBLE (2) 不可中断睡眠   __TASK_STOPPED  (4)  停止状态   EXIT_DEAD       (16) 终止状态 */</code>

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进程调度相关

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<code class="javascript">int prio;              // 动态优先级int static_prio;       // 静态优先级（nice值映射）const struct sched_class *sched_class; // 调度器类指针struct sched_entity se; // CFS调度实体</code>

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虚拟内存管理

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<code class="javascript">struct mm_struct *mm;  // 内存描述符（用户空间）struct mm_struct *active_mm; // 活跃内存描述符（内核线程使用）</code>

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文件系统

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<code class="javascript">struct files_struct *files; // 打开文件表struct fs_struct *fs;       // 根目录/工作目录信息</code>

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进程信号处理

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<code class="javascript">struct signal_struct *signal; // 信号处理结构体struct sighand_struct *sighand; // 信号处理函数表sigset_t blocked;       // 被阻塞信号掩码</code>

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进程关系

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<code class="javascript">struct task_struct *real_parent; // 实际父进程（fork创建者）struct task_struct *parent;      // 法定父进程（接收SIGCHLD）struct list_head children;       // 子进程链表struct list_head sibling;        // 兄弟进程链表</code>

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时间统计

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<code class="javascript">u64 utime;        // 用户态CPU时间（纳秒）u64 stime;        // 内核态CPU时间struct task_cputime cputime_expires; // CPU时间限制</code>

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组织进程可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

查看系统中的进程

基本命令与工具 ps 命令（Process Status）静态快照显示当前进程信息。

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<code class="javascript">ps aux       # 查看所有用户的所有进程（BSD风格）ps -ef       # 全格式显示进程（System V风格）ps -u root   # 查看指定用户（如root）的进程ps -p 1234   # 查看特定PID（如1234）的进程</code>

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输出字段：

PID：进程IDUSER：进程所有者%CPU/%MEM：CPU和内存占用率STAT：进程状态（如 R=运行, S=睡眠, Z=僵尸）COMMAND：启动进程的命令

例如：（只截取了一部分进程）

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<code class="javascript">[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps auxUSER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMANDroot         1  0.0  0.2 191052  4084 ?        Ss   Jan14   0:34 /usr/lib/systemd/systemd --switchroot         2  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:00 [kthreadd]root         4  0.0  0.0      0     0 ?        S<   Jan14   0:00 [kworker/0:0H]root         5  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:08 [kworker/u4:0]root         6  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:00 [ksoftirqd/0]root         7  0.0  0.0      0     0 ?        S    Jan14   0:00 [migration/0]</code>

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top / htop命令，动态实时监控进程资源占用。

例如：top命令

例如：（有些系统下可能没有预装htop命令，需要手动下载）

Centos下：

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<code class="javascript">sudo yum install -y htop</code>

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htop命令

关键操作：

按 P（CPU排序）、M（内存排序）、k（终止进程）。htop 支持直接展开线程（按 F2 配置显示项）。

pstree命令以树形结构显示进程父子关系。

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<code class="javascript">pstree -p    # 显示PIDpstree -A    # 用ASCII字符简化显示</code>

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例如： pstree -p命令

例如： pstree-A命令

查看进程详细信息

进程状态文件（/proc 文件系统）

路径：/proc/<pid>/</pid>

其中PID是要查看的进程id

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<code class="javascript">cat /proc/PID/status   # 查看进程状态（内存、线程数等）cat /proc/PID/cmdline  # 查看启动命令的完整参数</code>

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例如：

查看PID为1的进程状态，实际上 PID为1的进程是操作系统，Linux下叫做systemd

例如：

同样查看systemd进程的启动命令的完整参数

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<code class="javascript">[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ process]$ cat /proc/1/cmdline/usr/lib/systemd/systemd--switched-root--system--deserialize22</code>

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根据名称或内容过滤

例如：

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<code class="javascript">ps ajx | grep process #查找过滤叫做process的进程</code>

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<code class="javascript">[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | grep process31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process32119 32147 32146 32119 pts/1    32146 S+    1000   0:00 grep --color=auto process</code>

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结合head命令将头一行提取出来

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<code class="javascript">ps ajx | head -1 && ps ajx | grep process</code>

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<code class="javascript">[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep process PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process32119 32151 32150 32119 pts/1    32150 S+    1000   0:00 grep --color=auto process</code>

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也可以根据进程的PID进行过滤查找

例如：

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<code class="javascript">ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 32114</code>

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<code class="javascript">[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 32114 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND31994 31995 31995 31995 pts/0    32114 Ss    1000   0:00 -bash31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process32119 32155 32154 32119 pts/1    32154 S+    1000   0:00 grep --color=auto 32114</code>

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其中过滤出来的 grep --color=auto 32114这个进程，是因为使用grep过滤时，其本身也是一个进程，包含了要过滤进程的信息，所以也会被找出来，如果不想让其显示，可以使用grep -v grep 反向过滤掉。

例如：

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<code class="javascript">[zwy@iZbp1dkpw5hx2lyh7vjopaZ ~]$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 32114 | grep -v grep PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND31994 31995 31995 31995 pts/0    32114 Ss    1000   0:00 -bash31995 32114 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process32114 32115 32114 31995 pts/0    32114 S+    1000   0:00 ./process</code>

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根据资源占用排序

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<code class="javascript">ps aux --sort=-%cpu | head -10   # 按CPU占用降序显示前10进程ps aux --sort=-%mem | head -10   # 按内存占用降序显示前10进程</code>

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例如：查看CPU占用前10进程

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<code class="javascript">ps aux --sort=-%cpu | head -10 </code>

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例如：查看内存占用前10内存

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<code class="javascript">ps aux --sort=-%mem | head -10 </code>

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本文小结

拓展阅读： task_struct

本文到这里就结束了，后面的文章我们会展开讲解进程的更多话题，比如进程状态，进程优先级，进程的调度和切换，进程控制等等… 感谢您的观看！

以上就是【Linux进程概念】—— 操作系统中的“生命体”，计算机里的“多线程”的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！

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