[linux] 进程相关概念理解

1. 什么是进程

假设在一个文件中写代码，并生成一个可执行程序在磁盘中，可执行程序本质也是一个二进制文件
文件 =内容+属性
内容即 自己写的代码和数据
属性即 创建时间、权限等信息

• 使用 ./ 将其加载到内存中，cpu访问代码和数据，从而执行代码， 把代码和数据放入内存中 就可以叫做进程么？
• 当然不是！
  - 举例：
  如何成为你的学校的学生呢？
  只要想办法进入你的学校里，在学校里，就是你的学校的学生么？
  当然不是，看门的大爷和楼管阿姨也在学校里
  想要成为学生，必须在学籍档案中有你个人的基本信息
  同理，只把代码和数据放入内存中，不叫作进程
  为什么基本信息在学籍档案中呢？
  因为学校要对学生管理

随着程序加载到内存的数量增多，操作系统就要考虑如何把加载的代码个数据进行管理，
所以操作系统要管理进程
管理的本质是先描述，在管理 (不懂的可以点击查看具体解释)

管理本质的解释

描述

使用结构体构建了结构体对象，在操作系统教材中叫做 PCB ，在Linux中叫做 task_struct
并且结构体提取了所有进程的属性
同样使用各自的结构体，可以找到各自的代码和数据

组织

将结构体通过特定数据结构关联起来(以链表为例)

通过链表的增删查改操作，来完成对进程的增加、删除、查找、修改

结论

进程是内核关于进程的相关数据结构+当前进程的代码和数据

2.查看进程

查看进程方法1

 #include
  2 #include<unistd.h>
  3 int main()
  4 {
  5   while(1)
  6   {
  7     printf("hello world\n");
  8     sleep(1);                                                                                                                                                        
  9   }
 10   return 0;
 11 }

创建一个pro.c的文件，同时生成一个可执行程序pro，使之无线循环下去

创建终端

在第一个终端中点击右键，复制SSH渠道，就会自动生成终端2

输入命令显示进程

在保证终端1的pro程序运行时，在第二个终端中
ps axj 查看当前系统中所有的进程
head -1 取第一行指令
grep pro 只查看自己的进程
grep -v grep 除了grep的内容显示出来
输入 ps axj | head -1 && ps axj | grep pro | grep -v grep，即可查看当前pro可执行程序的进程

[yzq@VM-8-8-centos ~]$ ps axj | head -1 && ps axj | grep pro | grep -v grep
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
 3754  3943  3943  3754 pts/0     3943 S+    1002   0:00 ./pro

一个程序存在多个进程

首先创建三个终端

• 在终端2和终端3中同时运行 ./pro ，再次在终端1中使用指令ps axj | head -1 && ps axj | grep pro | grep -v grep，发现生成两个PID值不同的进程
• 将一个可执行程序多次加载内存，可执行程序内部存在多个进程

查看进程方法2

ls /proc，proc 为process的简称，保存进程相关属性的目录

• 蓝色的数字就是进程的PID
  

查看成功

• 在保证终端1正在运行./pro，在终端2中以第一次生成的PID为例

• PID值为3943，ls proc/3943，即可查看相关的进程属性

查看失败

• 若将终端1的pro可执行程序关闭，则进程不存在

[yzq@VM-8-8-centos ~]$ ls /proc/28439
ls: cannot access /proc/28439: No such file or directory

结论

• 当把进程创建时，proc目录下会自动创建以PID命名的目录，里面会把内存运行的属性呈现出来

• 当把进程终止时，proc目录下会自动把PID命名的目录全部删除

3.通过系统调用获取进程标识符

1.获取PID值

• getpid 需要头文件 和，返回值为 getpid_t类型，表示当前进程的PID值

#include
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int main()
  5 {
  6   while(1)
  7   {
  8     printf("我已经是一个进程了，PID为：%d\n",getpid());                                                                                                              
  9     sleep(1);                                                                                                                        
 10   }                                                                                                                                  
 11   return 0;                                                                                                                          
 12 }      

• 在之前的pro.c文件进行修改，将其内容修改为上面的，并在终端1中使用./pro 执行可执行程序

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我已经是一个进程了，PID为：28286
我已经是一个进程了，PID为：28286
我已经是一个进程了，PID为：28286
我已经是一个进程了，PID为：28286
我已经是一个进程了，PID为：28286
我已经是一个进程了，PID为：28286
我已经是一个进程了，PID为：28286

• 会生成不间断的相同PID值

验证PID值是否正确

• 再次创建一个终端，并命名为终端2，并保证上述的pro程序在终端1中运行的情况下，使用指令 ps axj | head -1 && ps axj | grep pro | grep -v grep，发现PID值相同

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ps axj | head -1 && ps axj | grep pro | grep -v grep
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
26652 28286 28286 26652 pts/0    28286 S+    1002   0:00 ./pro

2. 获取父进程PID值

getppid 头文件与getpid相同，返回值为父进程的PID值

 1 #include<stdio.h>
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int main()
  5 {
  6   while(1)
  7   {
  8     printf("我已经是一个进程了，PID为：%d,我的父进程PID为:%d\n",getpid(),getppid());                                                                                 
  9     sleep(1);                                                                                                                                                    
 10   }                                                                                                                                                              
 11   return 0;                                                                                                                                                      
 12 }  

• 再次将终端1中的pro.c文件内容修改为上面

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我已经是一个进程了，PID为：1013,我的父进程PID为:32452
我已经是一个进程了，PID为：1013,我的父进程PID为:32452
我已经是一个进程了，PID为：1013,我的父进程PID为:32452
我已经是一个进程了，PID为：1013,我的父进程PID为:32452

• 在终端1中输入./pro，显示当前进程PID为 1013，父进程PID为 32452

验证

• ，在确保终端1中的pro可执行程序正在运行，打开终端2， 输入ps axj | head -1 && ps axj | grep pro | grep -v grep 指令

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ps axj | head -1 && ps axj | grep pro | grep -v grep 
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
32452  1013  1013 32452 pts/2     1013 S+    1002   0:00 ./pro

• 说明使用getppid查询结果正确

3. 父进程为什么不变化？

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我已经是一个进程了，PID为：2050,我的父进程PID为:32452
^C
[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我已经是一个进程了，PID为：2059,我的父进程PID为:32452
^C
[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我已经是一个进程了，PID为：2065,我的父进程PID为:32452
^C

• 在终端1中多次运行./pro，发现当前进程PID一直在变，而父进程的PID没变过
• 父进程的PID为32452，在终端2中输入， ps ajx | head -1 && ps ajx |grep 32452 指令

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ps ajx | head -1 && ps ajx |grep 32452
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
  907  3167  3166   907 pts/3     3166 R+    1002   0:00 grep --color=auto 32452
32451 32452 32452 32452 pts/2    32452 Ss+   1002   0:00 -bash

• 说明父进程PID 为 -bash

• bash为命令行解释器，本质上也是一个进程
  命令行启动的所有程序，最终都会变成进程，而该进程对应的父进程都是bash

4. 为什么都是bash？

bash怕你写的代码有问题，所以使用bash创建的子进程完成任务，这样就算是挂了，bash也没事

4.指定进程暂停

• 在终端1中运行./pro，在终端2中输入 kill - 9+自己进程的PID

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
我已经是一个进程了，PID为：29031,我的父进程PID为:28428
Killed

• 在终端2中输入 kill - 9 29031，即可在终端1中显示killed，表示结束

5.如何创建子进程

创建子进程—— fork，头文件为 ，返回值是 pid_t类型

#include
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int main()
  5 {
  6   printf("AAAA\n");
  7   fork();
  8   printf("BBBB\n");
  9  sleep(1);                                                                                                                                                           
 10   return 0;                                                 
 11 } 

• 继续在终端1中修改pro.c文件中的内容如上

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
AAAA
BBBB
BBBB

• 运行pro可执行程序，发现竟然执行两次BBBB
  这是为什么呢？我们继续往下看

#include
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int main()
  5 {
  6   printf("AAAA\n");
  7   fork();
  8   printf("BBBB:pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());                                                                                                                
  9  sleep(1);                                                                                                                                                          
 10   return 0;                                                                                                                                                         
 11 }                                                                                                                                                                   
       

• 修改por.c文件的内容，加上自己和父进程的PID值

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
AAAA
BBBB:pid:4285,ppid:31919
BBBB:pid:4286,ppid:4285

• 终端1中./pro运行可执行程序，两个执行B的printf语句打印自己进程的PID值不同，说明是两个进程
• 而下面BBBB的父进程PID与上面BBBB的子进程PID相同，说明创建了子进程

1. fork返回值

• 父进程返回子进程的PID值，子进程返回0，失败返回-1

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int main()
  5 {
  6   printf("AAAA\n");
  7  pid_t ret= fork();
  8   printf("BBBB:pid:%d,ppid:%d,%d,%p\n",getpid(),getppid(),ret,&ret);
  9  sleep(1);                                                 
 10   return 0;                                                
 11 } 

• 修改pro.c文件内容，加上ret的值和地址

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
AAAA
BBBB:pid:7799,ppid:31919,7800,0x7ffefc72c02c
BBBB:pid:7800,ppid:7799,0,0x7ffefc72c02c

在终端1中运行./pro，上面的BBBB，ret值返回是下面BBBB的PID值 ，说明是父进程
而下面的BBBB，ret值为0,说明是子进程

2.使父子进程执行不同的任务

#include
  2 #include<sys/types.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 int main()
  5 {
  6  pid_t ret= fork();
  7  if(ret==0)
  8  {
  9    //子进程
 10    while(1)  
 11    {
 12    printf("我是子进程，我的pid是:%d,我的父进程是:%d\n",getpid(),getppid());
 13    sleep(1);
 14    }
 15     
 16  }
 17  else if(ret>0)
 18  {
 19    //父进程
 20    while(1)
 21    {
 22    printf("我是父进程，我的pid是:%d,我的父进程是:%d\n",getpid(),getppid());
 23    sleep(1);
 24    }                                                                                                                                                                 
 25  }
 26  else
 27  {   
 //报错
 29  }         
 30   return 0;
 }

• 修改pro.c文件的内容，设置if else语句实现

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我是父进程，我的pid是:13505,我的父进程是:31919
我是子进程，我的pid是:13506,我的父进程是:13505
我是子进程，我的pid是:13506,我的父进程是:13505
我是父进程，我的pid是:13505,我的父进程是:31919
我是子进程，我的pid是:13506,我的父进程是:13505
我是父进程，我的pid是:13505,我的父进程是:31919
我是父进程，我的pid是:13505,我的父进程是:31919
我是子进程，我的pid是:13506,我的父进程是:13505

父进程和子进程是同时运行的
说明在多执行流的环境下 if和else if可以同时成立

3. 结论

• fork之后，执行流会变成2个
• fork之后，谁先运行由调度器决定
• fork之后，fork之后的代码共享，通常通过if和else if来进行执行流分流

6. fork 原理

1.fork做了什么

子进程pcb的大部分属性会以父进程pcb为模板，把父进程大部分里面的数据拷给子进程
小部分属于子进程私有的，例如PID、PPID值
因为进程等于数据结构+代码和数据，所以父进程指向自己的代码和数据，子进程也会指向同样的代码和数据
创建子进程：创建独立的pcb结构，父子进程看到的是同一份代码和数据

2.fork 如何看待代码和数据

当我们把画图关闭后，并不会影响有道云笔记的使用，说明他们都是独立存在的
进程在运行的时候，是具有独立性的
当我们在执行代码同时运行父子进程时，若使用 kill- 9 干掉父进程后，子进程仍能运行
父子进程在运行时，也是具有独立性的

父子进程指向同一块代码和数据，独立性如何保证？

代码：
代码在内存区域是只读的(从来不会自己发生变化,不会有人修改)
父子进程两者都读，不会互相影响
数据：

  1 #include<stdio.h>  
  2 #include<sys/types.h>  
  3 #include<unistd.h>  
  4 int main()  
  5 {  
  6   int x=100;  
  7  pid_t ret= fork();  
  8  if(ret==0)  
  9  {  
 10    //子进程  
 11    while(1)  
 12    {
 13    printf("我是子进程，我的pid是:%d,我的父进程是:%d,%d\n",getpid(),getppid(),x);
 14    sleep(1);
 15    }
 16     
 17  }
 18  else if(ret>0)
 19  {
 20    //父进程
 21    while(1)
 22    {
 23    printf("我是父进程，我的pid是:%d,我的父进程是:%d,%d\n",getpid(),getppid(),x);
 24    x=50;
 25    sleep(1);
 26    }
 27  }
 28   return 0;
 29 }   

• 在终端1中修改pro.c文件的内容

[yzq@VM-8-8-centos lesson]$ ./pro
我是父进程，我的pid是:26332,我的父进程是:21231,100
我是子进程，我的pid是:26333,我的父进程是:26332,100
我是父进程，我的pid是:26332,我的父进程是:21231,50
我是子进程，我的pid是:26333,我的父进程是:26332,100
我是父进程，我的pid是:26332,我的父进程是:21231,50
我是子进程，我的pid是:26333,我的父进程是:26332,100
我是父进程，我的pid是:26332,我的父进程是:21231,50
我是子进程，我的pid是:26333,我的父进程是:26332,100

使用./pro执行可执行程序，修改父进程中的x值后，只有父进程的x值被修改，子进程x值不变
说明如果有一个进程把数据改了，并不会影响另一个进程
当有一个执行流尝试修改数据的时候，操作系统自动给当前进程触发：写时拷贝4

3.fork如何理解两个返回值问题

• 当我们函数内部准备执行return的时候，我们的主体功能已经完成
• fork本质上是操作系统提供的一个创建子进程的函数
• 所以当到return时，说明创建子进程已经完成了，return语句，父进程会执行一次，子进程执行一次，共执行两次