通过 /proc 观察 Linux 进程：内存、线程与文件描述符

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通过 /proc 观察 Linux 进程：内存、线程与文件描述符

前几篇已经在 Ubuntu 20.04、Buildroot 和 QEMU ARM64 中运行、调试并追踪用户态程序。本篇继续从 Linux 用户空间观察进程运行时状态：通过 /proc/<PID> 查看内存统计和映射、线程列表、文件描述符，并解释常见数字的单位和边界。

本篇使用一个独立的 proc_demo 示例进程，持有一个普通文件、一个未连接的 TCP socket、一块被实际触碰的匿名映射，并启动两个 worker 线程。观察完成后只终止这个示例进程，不修改现有 debug_demo 服务。

一、实验流程与环境

Ubuntu 20.04 x86_64 主机
Buildroot AArch64 GCC 编译 proc_demo
| SSH 上传，QEMU hostfwd 127.0.0.1:2222
v
QEMU ARM64 guest
proc_demo：4 MiB 匿名映射 + 文件 FD + socket FD + 2 个 worker
| 读取 /proc/<PID>/status、statm、maps、task、fd
v
解释 VmRSS、页数、TID、FD 和 socket inode

默认命令在 Ubuntu 主机执行；标注 QEMU guest 的命令才在 ARM64 系统内执行。本文读取的是 guest 的 /proc，不要把 Ubuntu 主机的 /proc/<PID> 与 guest 中同一个数字 PID 混为一谈。

二、确认 procfs 已挂载

本文接续前文 strace 实验。若 QEMU guest 仍在运行，继续使用该实例，不要重复启动；若已关闭，按前文命令重启。由于本实验主机的 $HOME 和默认临时目录只读，重启前在 Ubuntu 主机设置 export TMPDIR=/dev/shm，并在 QEMU 启动参数中加入 -snapshot，使 guest 写入使用临时 overlay。启动后在 QEMU guest 控制台以 root 登录，再检查 /proc：

mount | grep ' on /proc '
ls /proc/self

本次 guest 中的实测关键输出如下：

# mount | grep ' on /proc '
proc on /proc type proc (rw,relatime)

ls /proc/self 的输出中包含 status、maps、task 和 fd 等条目，确认这些 proc 文件和目录可见；具体列表可能随内核版本略有不同。

BusyBox init 通常会挂载 procfs。若 /proc/self/status 等文件不存在，先检查 /proc 是否挂载；不要把本节的检查命令误在 Ubuntu 主机执行。

三、创建带有可观察资源的示例程序

在 Ubuntu 主机创建源码。前文的 Buildroot 输出目录和 SSH 私钥仍从 $HOME 读取；由于本实验主机的 $HOME 和默认临时目录均不可写，源码、编译产物及 Bash heredoc 临时文件分别改用 /dev/shm/proc-inspection-demo 和 /dev/shm。这些都是临时路径，主机重启后会清空。程序会打开 guest 中的 /tmp/proc_demo.data，建立一个未连接的 IPv4 TCP socket，分配并逐页写入 4 MiB 匿名内存，然后启动两个等待中的 worker 线程：

export DEMO_OUT="$HOME/buildroot-output-arm64-demo"
export PROC_WORK="/dev/shm/proc-inspection-demo"
export SSH_KEY="$HOME/.ssh/buildroot-qemu-dropbear-ed25519"
export TMPDIR=/dev/shm
if [ ! -d /dev/shm ] || [ ! -w /dev/shm ]; then
printf '/dev/shm is unavailable or not writable\\n' >&2
exit 1
fi
mkdir -p "$PROC_WORK"
cat > "$PROC_WORK/proc_demo.c" <<'EOF'
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

#define MAP_BYTES (4U * 1024U * 1024U)
#define WORKER_COUNT 2

static void *worker_main(void *argument)
{
(void)argument;
for (;;) {
pause();
}
return NULL;
}

int main(void)
{
const char marker[] = "proc demo file\\n";
int file_fd = open("/tmp/proc_demo.data", O_CREAT | O_EXCL | O_RDWR, 0600);
if (file_fd < 0) {
perror("open proc_demo.data");
return EXIT_FAILURE;
}
if (write(file_fd, marker, sizeof(marker) – 1) != (ssize_t)(sizeof(marker) – 1)) {
perror("write proc_demo.data");
return EXIT_FAILURE;
}

int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (socket_fd < 0) {
perror("socket");
return EXIT_FAILURE;
}

long page_size = sysconf(_SC_PAGESIZE);
if (page_size <= 0) {
fprintf(stderr, "invalid page size\\n");
return EXIT_FAILURE;
}

void *mapping = mmap(NULL, MAP_BYTES, PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (mapping == MAP_FAILED) {
perror("mmap");
return EXIT_FAILURE;
}

for (size_t offset = 0; offset < MAP_BYTES; offset += (size_t)page_size) {
((volatile unsigned char *)mapping)[offset] = 0xA5;
}

pthread_t workers[WORKER_COUNT];
for (int index = 0; index < WORKER_COUNT; ++index) {
int result = pthread_create(&workers[index], NULL, worker_main, NULL);
if (result != 0) {
fprintf(stderr, "pthread_create: %s\\n", strerror(result));
return EXIT_FAILURE;
}
}

printf("proc_demo ready: pid=%ld file_fd=%d socket_fd=%d "
"page_size=%ld mapping=%p mapping_bytes=%u threads=%d\\n",
(long)getpid(), file_fd, socket_fd, page_size,
mapping, MAP_BYTES, WORKER_COUNT + 1);
fflush(stdout);

for (;;) {
pause();
}
}
EOF

文件以 O_EXCL 创建；若 guest 中已存在同名文件，程序会报错退出，不会截断原文件。匿名映射逐页写入，是为了让这些页实际进入进程的常驻集；只调用 mmap() 而不访问映射页，RSS 未必随映射大小增加。示例使用 pause() 保持线程存活，以便在进程运行时查看 /proc。

四、交叉编译并上传到 guest

以下命令在 Ubuntu 主机执行；即使另开了主机终端，也请先重新设置路径。Buildroot 输出目录只用于读取交叉编译器，编译产物写入可写的 /dev/shm 工作目录。-pthread 同时提供线程编译和链接选项：

export DEMO_OUT="$HOME/buildroot-output-arm64-demo"
export PROC_WORK="/dev/shm/proc-inspection-demo"
export SSH_KEY="$HOME/.ssh/buildroot-qemu-dropbear-ed25519"
export CROSS_GCC="$(find "$DEMO_OUT/host/bin" -maxdepth 1 \\
-name 'aarch64-buildroot-linux-*-gcc' -print -quit)"
if [ -z "$CROSS_GCC" ] || [ ! -x "$CROSS_GCC" ]; then
printf 'Buildroot AArch64 compiler not found\\n' >&2
else
"$CROSS_GCC" -Wall -Wextra -O0 -g3 -pthread \\
"$PROC_WORK/proc_demo.c" -o "$PROC_WORK/proc_demo" &&
file "$PROC_WORK/proc_demo"
fi

file 应显示 ARM AArch64 ELF。随后从 Ubuntu 主机通过前文已配置的 SSH 上传：

ssh -i "$SSH_KEY" -p 2222 root@127.0.0.1 \\
'cat > /root/proc_demo && chmod 755 /root/proc_demo' \\
< "$PROC_WORK/proc_demo"

确认 guest 文件存在：

ssh -i "$SSH_KEY" -p 2222 root@127.0.0.1 \\
'ls -l /root/proc_demo && test -x /root/proc_demo && echo executable'

五、启动进程并取得 PID

以下命令在 QEMU guest 执行。让程序在后台运行，PID 保存在当前 shell 的 proc_pid 变量中：

/root/proc_demo &
proc_pid=$!
sleep 1
printf 'proc_pid=%s\\n' "$proc_pid"
grep -E '^(Name|Pid|PPid|Threads|VmSize|VmRSS|RssAnon|RssFile|VmData|VmStk):' "/proc/$proc_pid/status"

本轮实测的 proc_demo ready 输出中，page_size=4096、mapping_bytes=4194304、threads=3。PID、FD 和映射地址会由系统分配，不要照抄示例值。Threads 应为 3（主线程加两个 worker）；若不是，检查程序启动输出和线程创建是否成功。

可检查当前 shell 仍持有目标 PID：

case "$proc_pid" in
''|*[!0-9]*) echo 'Invalid PID; stop.' >&2 ;;
*) test -r "/proc/$proc_pid/status" && echo 'process is present' ;;
esac

本轮实测输出为：

process is present

六、观察内存统计与映射

1. /proc/<PID>/status

cat "/proc/$proc_pid/status"

本轮实测的关键字段如下，其他与本节无关的状态和信号字段略去：

Name: proc_demo
State: S (sleeping)
Pid: 138
PPid: 125
Uid: 0 0 0 0
VmSize: 22680 kB
VmRSS: 5176 kB
RssAnon: 4172 kB
RssFile: 1004 kB
RssShmem: 0 kB
VmData: 20688 kB
VmStk: 132 kB
Threads: 3

这些是本轮运行的快照，PID、父 PID 和内存统计会随环境变化；本次 RssAnon、RssFile 与 RssShmem 之和为 VmRSS。

重点字段：

这些字段是内核统计快照，部分值会随访问模式和内核版本变化，不应据此推导精确的进程独占内存。

2. /proc/<PID>/statm

cat "/proc/$proc_pid/statm"
printf 'page_size_bytes=%s\\n' "$(getconf PAGESIZE)"

本轮实测输出如下：

# cat "/proc/$proc_pid/statm"
5670 1294 251 2 0 5205 0
-sh: getconf: not found
page_size_bytes=

getconf 未安装是当前 BusyBox guest 的配置情况，不影响读取 statm。本轮 proc_demo ready 输出的页大小为 4096 字节，因此前两列分别换算为 5670 × 4 = 22680 kB 虚拟内存和 1294 × 4 = 5176 kB 常驻内存，与前面 status 中的 VmSize、VmRSS 相符；共享页数 251 × 4 = 1004 kB，也与本轮 RssFile 相符。statm 各列单位都是页，依次表示总虚拟页数、常驻页数、共享页数、代码页数、库页数、数据加栈页数、脏页数。Linux 2.6.0 及之后版本保留了 lib 列，但通常恒为 0，不能用它估算共享库占用。其中部分列为快速统计值，可能不精确；若 guest 没有 getconf，使用程序启动时打印的页大小，不要直接假定不同架构的页大小相同。

3. /proc/<PID>/maps

cat "/proc/$proc_pid/maps"

本轮实测中，程序打印的映射起始地址为 0xffffb5600000，在 maps 中对应：

ffffb5600000-ffffb5a00000 rw-p 00000000 00:00 0

起止地址相差 0x400000，即 4 MiB；rw-p 表示可读写的私有映射，末尾没有文件路径，符合匿名映射。本轮地址由内核分配，其他运行中可能不同。每行表示一个虚拟地址区间及权限标记，如 r-xp 表示可读、可执行、私有映射，s 表示共享映射。maps 展示虚拟映射，不是物理内存分布图。

七、观察线程和文件描述符

1. 线程

printf 'Threads in status: '
grep '^Threads:' "/proc/$proc_pid/status"
for task_dir in /proc/"$proc_pid"/task/*; do
[ -d "$task_dir" ] || continue
printf 'TID=%s name=' "${task_dir##*/}"
cat "$task_dir/comm"
done

本轮实测输出如下：

Threads: 3
TID=138 name=proc_demo
TID=140 name=proc_demo
TID=141 name=proc_demo

本轮主线程 TID 138 与进程 PID 相同；另外两个 TID 是 worker。TID 由内核分配，其他运行中会变化。

/proc/<PID>/task/ 下每个子目录对应一个线程，目录名是 TID。主线程的 TID 通常与进程 PID 相同，其余为 worker 的 TID；这些编号由内核运行时分配，不应写成固定值。目录数量应与 Threads: 大致一致。

2. 文件描述符

ls -l "/proc/$proc_pid/fd"
for fd_path in /proc/"$proc_pid"/fd/*; do
[ -e "$fd_path" ] || continue
printf 'fd=%s target=' "${fd_path##*/}"
readlink "$fd_path"
done

本轮实测的 readlink 输出如下：

fd=0 target=/dev/console
fd=1 target=/dev/console
fd=2 target=/dev/console
fd=3 target=/tmp/proc_demo.data
fd=4 target=socket:[76]

本轮标准输入、输出和错误都连接到 QEMU 控制台；FD 3 指向示例文件，FD 4 指向 socket。FD 编号和 socket inode 会随运行变化。

文件描述符是进程内的索引，不是全系统唯一编号。通常 0、1、2 分别是标准输入、输出、错误；示例还会有指向 /tmp/proc_demo.data 的普通文件 FD，以及形如 socket:[inode] 的 socket FD。实际 FD 数字可能不同，应以程序启动时打印的值和 /proc/<PID>/fd 为准。

socket:[inode] 只显示 socket inode，不能单独说明远端地址或连接状态；本例 socket 尚未调用 connect()，因此只是已创建、尚未连接的 socket。/proc/<PID>/fdinfo/<FD> 可提供该描述符的标志、当前位置等附加信息：

cat "/proc/$proc_pid/fdinfo/3"

本轮实测输出如下：

pos: 15
flags: 0400002
mnt_id: 21
ino: 20

pos: 15 表示文件偏移为 15 字节，与程序写入的 proc demo file\\n 长度相符。flags 以八进制显示；flags、mnt_id 和 ino 会随内核及文件系统环境变化。

将 3 替换为程序输出的文件 FD。不要把 FD 编号当作固定值。

八、结束示例进程

完成观察后，在启动进程的 同一个 QEMU guest shell 中确认 PID 变量仍有效，再只终止本次 proc_demo：

case "$proc_pid" in
''|*[!0-9]*) echo 'Invalid PID; refusing to signal.' >&2 ;;
*)
if [ "$(readlink "/proc/$proc_pid/exe")" = /root/proc_demo ]; then
kill -TERM "$proc_pid"
wait "$proc_pid"
if [ ! -e "/proc/$proc_pid/exe" ]; then
rm -f /tmp/proc_demo.data
else
echo 'proc_demo is still present; leaving its data file untouched.' >&2
fi
else
echo 'PID does not refer to /root/proc_demo; refusing to signal.' >&2
fi
;;
esac

这里通过 /proc/<PID>/exe 再次核对目标，避免误向其他进程发送信号。不要对 debug_demo、PID 1 或不确认身份的 PID 执行 kill。

本轮实测中，wait 确认 proc_demo 已被终止，shell 显示 Terminated；后续 rm -f 成功时不输出内容。[1]+ 等 job 编号由 shell 分配，可能不同。

九、常见问题与观察边界

/proc 反映的是读取瞬间的状态，进程继续运行时数值可能变化。RSS/共享页不是精确的进程独占物理内存；FD 编号也仅在该进程内有意义。进程退出后 /proc/<PID> 随即消失，因此应先读取，再清理。

本文覆盖 QEMU ARM64 Linux 用户态进程，不涉及内核线程、驱动内部内存、真实板卡硬件资源或生产系统性能结论。示例输出为预期，实际字段和数值以运行环境为准。

十、小结

/proc/<PID>/status 适合快速查看进程身份、线程数和内存概况；statm 以页数报告虚拟内存与常驻集估算；maps 展示虚拟地址区间；task/ 枚举线程；fd/ 将进程内 FD 映射到文件、设备或 socket。把这些信息与实际程序行为结合，能更有依据地回答“进程用了多少内存、启动了几个线程、打开了哪些资源”，但应牢记这些接口描述的是运行时快照，不是所有资源的精确归属。