详解进程的相关概念(冯诺依曼体系，操作系统，PCB，进程状态，进程创建)--超详细讲解(图文并茂)

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1.冯诺依曼体系结构

我们日常生活中常见的计算机(笔记本)和不常见的计算机(服务器)，大多都遵循冯诺依曼体系结构。

特点

1. 计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示
2. 顺序执行程序
3. 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

下面我再根据自己的理解，再来解释一下冯诺伊曼体系结构中的重要部分

就拿古代皇帝上早朝来举例，主要说功能最重要的三种类别

• CPU扮演的是皇帝，CPU是计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，它就像皇帝一样，治理着计算机的“天下”
• 存储器扮演的是大臣，它是计算机系统中的记忆设备，它当中存储了程序和各种数据信息的记忆部件，它会将早朝上需要处理的信息，通过"太监"(寄存器)传给"皇上"(CPU)
• 寄存器扮演的是太监，它是CPU(”皇上“)内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果，它负责将存储器或缓存中需要处理的信息传递给CPU(“皇上”)

2.操作系统(Operator System)

2.1 基本概念

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)。从多个层次来理解的话，OS就是一个软件，软件又是由程序组成的，所以它是一个程序，程序在运行时，又会产生进程，所以，它也可以是一个进程。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）

2.2 作用

作用

• OS负责与硬件进行交互，并管理着所有的软硬件资源
• 为应用程序(用户程序)提供一个良好的执行环境

最主要的作用就是管理。
那么，它是如何进行管理的呢？

1. 从程序内部角度来看：

管理 = 描述 + 组织
 
用C语言的思想来解释的话

• 描述：就是自定义的数据类型，如 struct 结构体
• 组织：通过双向链表的形式来进行相应的存放

2.3 OS相关概念

• 并发：多个进程，在同一时刻只能有一个进程拥有一个CPU进行运算
• 并行：多个进程，在同一时刻拥有不同的CPU进行运算
• 4 核 8 C：总共拥有12个CPU，即4个物理CPU(4核)，8个逻辑CPU(8C)。

2. 从整个计算机层面来看：

如图所示

系统调用函数和库函数的区别

• 系统调用函数：OS中专门为程序员提供的函数，程序员可以调用这些函数更好的调用OS管理的计算机资源。(对应Linux中man手册的序号2)

• 库函数：有心的程序员对部分系统调用函数进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。(对应Linux中man手册的序号3)

3.进程

3.1 基本概念

进程是程序的一个执行实例，正在执行的程序等。但是从内核的角度来看的话，进程就是OS分配系统资源(CPU时间，内存)的实体。因此，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。

程序的概念是经过源代码编译出来的文件，且程序是静态的。而进程是程序在运行状态时产生的一个实例，则进程是动态的。

3.2 查看进程

首先，进程的信息可以通过/proc的系统文件夹查看、

使用ls /proc/即可查看

若要查看某个进程信息，可以直接 cd 到该文件夹下
并且可以直接 cd 到该文件夹的 fd 文件夹去查看它对应的I/O流

其次，还可以通过使用 top和ps这些用户级工具来获取

首先，先让下面的代码跑起来

再调用ps aux | grep ./test命令，即可查看正在运行的该程序所产生的进程信息

那为什么会产生两行 ./test 的进程信息呢？

• 第一行是正在运行的程序所产生的进程的信息
• 第二行是执行ps aux | grep ./test操作时，grep查找到后所产生的进程信息，由于在找到的一瞬间就将结果返回了，因此自己查询所产生的进行信息也会被保存下来。（grep在查询完之后就会结束，它会在结束前将结果返回）

4.描述进程：PCB(相当于struct结构体)

4.1 基本概念

进程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），Linux操作系统下的PCB是task_struct。

task_struct是Linux内核的一种数据结构，它是Linux中用来描述进程的结构体，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

4.2 内容分类

1. 进程标识符(PID)：在OS中唯一标识一个进程，用来区别其他进程。
2. 进程状态：用来表示进程的任务状态，退出代码，退出信号等
3. 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。(相当于记录了程序当前语句所对应的汇编语句的下一条语句)
4. 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据。
5. 内存指针: 指向了对应的进程地址空间(堆、栈、代码段等等-)
6. I／O状态信息: 保存着当前进程打开文件的信息。
7. 记账信息: 记录了使用CPU的时长和占用内存的大小。
8. 优先级: 相对于其他进程的优先级。
9. 其他信息

4.3 进程状态

从大的方面来说：进程有三个状态：就绪、运行和阻塞状态
从小的方面来讲，共有7种状态

1. R状态：运行状态，等待CPU分配资源或者已经获取CPU资源
2. S状态：可中断睡眠状态，例如使用Ctrl + c 即可中断该进程
3. D状态：不可中断睡眠状态
4. T状态：暂停状态，例如使用Ctrl + z即可使进程进入暂停状态，但进程是存在的，不像Ctrl + c 一样，进程直接终止。
5. t状态：跟踪状态，是在gdb调试过程中，会产生该状态
6. X状态：死亡状态
7. Z状态：僵尸状态（本节会在后面将其和僵尸进程，孤儿进程一起讲解）

问题：若在程序运行时按下Ctrl + z 时该如何恢复呢？
解决：首先，我们可以使用jobs命令来查看当前被挂起进程的PID号；然后可以通过使用fg [被挂起进程的PID]来恢复到前台执行、使用bg [被挂起进程的PID]来恢复到后台执行

4.4 进程创建

首先我们要了解3个系统调用函数

4.4.1 getpid()函数

getpid() 函数：用来获取当前进程的PID，哪个进程调用就获取哪个进程的PID号

4.4.2 getppid()函数

getppid() 函数：获取当前进程的父进程的PID，哪个进程调用就获取该进程的父进程的PID号

首先，我们用代码来测一下这两个函数

代码如下图：

运行如下图：

因为是死循环，所以后面一直运行着
然后再来看看当前可执行程序的进程信息

然后对应得父进程的PID为28132，该PID为BASH(命令行解释器)的进程号

4.4.3 fork()函数

fork() 函数：可以让程序员在代码中创建一个子进程

pid_t fork(void )

• 没有参数
• pid_t：本质是整型
• 返回值含义：若是创建子进程失败，则返回-1，若是创建成功，对于父进程而言，返回 >0 的数，对于子进程而言，返回 == 0 的数
• 原理：fork创建的子进程的PCB于父进程的PCB，是一个独立的PCB(是将父进程的大部分PCB信息拷贝过来，不共用同一地址空间，相当于按值传递)

接着，我们继续看一下 fork 函数的使用

代码如下图：

运行如下图：

然后输入ps -ef | grep ./test，来查看父子进程的PID号

其中，第一列为当前进程的PID号，第二列为对应父进程的PID号。

相信到这里，仔细看代码的大家，肯定都会有疑问：

问题：创建出来的子进程是从frok函数返回值之后的代码开始运行还是从fork函数返回值之前的代码开始运行

解答：首先我们将两种情况都分析一下

1. 在fork函数返回值之前运行：若是在fork函数返回值之前运行的话，就意味着程序会一直创建子进程，一直递归的创建子进程，而我们上面的代码测试中发现只产生了一个子进程，因此，推翻这种情况
2. 在fork函数返回值之后运行：在之后运行的话，就能说的通了，程序首先创建一个子进程，若创建成功，则父进程获取到的是一个大于0的数，子进程获取到的是一个等于0的数，然后分别走一遍这两个进程对应的代码，根据测试结果显示，显然，这种情况是成立的。

我们已经知道了该问题的答案是在从frok函数返回值之后的代码开始运行，但是具体是为什么呢？我们在细细的向下分解：

1. 当程序执行到fork函数的那一行时，遇到fork函数，系统需要创建一个子进程，于是挂起当前进程，去创建该进程的子进程；
2. 这时候，PCB中重要的程序计数器就发挥了作用，由于程序计数器中保存的是当前汇编指令的下一条指令；
3. 因此，拷贝给子进程的PCB中的程序计数器也保存的是下一条指令，因此，这就避免了子进程一直递归的创建子进程；
4. 然后，再继续往下走时，fork函数发现子进程已经创建完毕，则给父进程返回一个大于0的数，给子进程返回一个等于0的数，然后两个进程按照OS内核的调动来交替轮转的执行。

5. 僵尸状态、僵尸进程、孤儿进程

5.1 僵尸状态和僵尸进程

根据上面的内容，我们可知道僵尸状态是用Z来表示的，那么其到底是怎么产生的呢？

僵尸进程的产生：

首先，有个很重要的前提是子进程先于父进程退出，即子进程在退出时，父进程未来得及回收子进程的资源，导致子进程的PCB没有及时地被释放，则该进程就是僵尸进程，该进程对应地状态就是僵尸状态。
但是子进程在退出时，会告知父进程它退出了(这里的告知其实是发送了一个信号)，但是发送的该信号，是在所有进程中忽略掉的，不做任何处理的，因此父进程未回收资源，导致僵尸进程的产生

危害：

由于子进程地PCB没有办法得到释放，就会造成内存泄漏

解决：

到这里或许有的人可能认为直接使用以下命令的其中一条即可解决：

• kill + PID：来杀死进程
• kill - q + PID：强制杀死进程

事实上，我们日常大部分情况用以上两种命令即可解决绝大多数情况，但是，僵尸进程是不能用这两句命令来解决的。
真正的解决方法有3种：

1. 重启操作系统，这种方法的代价太大，——不推荐
2. 杀掉对应的父进程，父进程好好的运行，为什么要突然杀掉呢？这种方式代价也大，——不推荐
3. 进程等待，它属于进程控制，我会在后面的文章种讲到它，本文先不做过多的赘述，——推荐

5.2 孤儿进程

孤儿进程的产生：

同僵尸进程一样，它也有对应的前提条件：父进程先于子进程退出，即进程运行种，父进程先于子进程退出，这时候子进程会被1号进程所领养，并且在子进程退出时，就会由1号进程回收子进程的退出资源

1号进程：

OS(操作系统)启动的第一个进程(非常重要的进程)，1号进程会产生多个子进程来帮助OS管理计算机资源

重要事项：

• 进程状态中，是没有孤儿状态的，只存在孤儿进程

问题：到底是父进程先运行还是子进程先运行？

解答：不确定，取决于OS内核的调度（即取决于谁先拿到CPU分配的资源）

• 若只有一个CPU时，可能父进程先运行，也可能子进程先运行
• 若有两个CPU时，在上面的情况下，父子进程可能还会同时运行