Linux进程学习【一】

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• Perseverance is not a long race; it is many short races one after another.

  • 毅力不是一场漫长的比赛;是许多短跑一个接一个。

  

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前言

进程 是计算机中的重要概念，每个运行中的程序都有属于自己的 进程 信息，操作系统可以根据这些信息来进行任务管理，比如在我们Windows中的任务管理器中，可以看到各种运行中的任务信息，这些任务就可以称之为 进程，简单的 进程 二字后面包含着许多知识，比如为什么OS需要对任务进行管理、任务信息是如何组成的、如何创建新任务等，下面我将带大家从 冯诺依曼 结构体系开始，理解学习 进程 相关知识

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正文

冯诺依曼体系

我们今天所有的计算机都离不开 冯诺依曼 体系，这位伟大的计算机科学家早在二十世纪四十年代就提出了这种结构，即计算机应由五部分组成：输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备

各组成部分举例：

• 输入设备：键盘、鼠标、声卡、网卡、摄像头 等
• 输出设备：显示屏、喇叭、网卡、打印机 等
• 存储器：只读存储器、随机存取存储器
• 运算器+控制器：CPU中央处理器

注意： 输入、输出设备 称为外围设备，即 外设，而 外设 一般都会比较慢，比如磁盘；CPU中央处理 的速度是最快的，通过与 存储器 的配合，可以做到高效率处理数据；如果没有 存储器 的存在，那么计算机的整体效率就取决于 外设，正是因为 存储器 的存在，可以对数据进行预加载，CPU 计算时，直接向 存储器 要数据就行了，效率很高。

冯诺依曼和奥本海默在第一台计算机前的合影

冯诺依曼 体系的高明之处在于可以大大提高计算机的运算效率，得益于 存储器 这个关键部件

结论：

• 在数据层面，一般 CPU 不和 外设 直接沟通，而是直接和 内存(存储器) 打交道
  程序必须先加载到 内存 中，这是由硬件体系决定的
• 外设 只会和 内存 打交道

系统管理

有了计算机体系后，就需要 操作系统(OS) 对计算机进行管理，就像一个庞大的学校中会有各种教职工，当然计算器是否好用是很大程度上取决于 操作系统 是否给力

回归正文，先说结论：操作系统 是一款进行软硬件资源管理的软件

我们普通用户无法直接与计算机中的硬件打交道，也就是说，在没有 操作系统 的情况下，我们几乎是无法使用计算机的，于是一些计算机大牛就创造出了各种好用的 操作系统

举些栗子：

• 最经典的 Unix 操作系统
• 我们学习的 Linux 操作系统
• 市面上流通最广的 Windows 操作系统
• 高效精致的 Mac 操作系统，基于 Unix
• 生态丰富的 Android 操作系统，基于 Linux
• 还有很多操作系统，这里就不一一列举，或许下一个操作系统就由你创造

操作系统 管理的本质： 先描述，再组织

• 描述：通过 struct 结构体对各种数据进行描述
• 组织：通过 链表 等高效的数据结构对数据进行组织管理

比如在 Linux 中是通过 链表 这种数据结构来进行数据组织的

大体逻辑：操作系统 -> 硬件驱动 -> 硬件

具体的逻辑如下图所示：

我们开发者位于 用户 这一层，开发各种功能，提供给上一层的 用户群体 使用

操作系统的目的：

• 操作系统 是一个极其庞大的系统，操作系统 通过对下管理好软硬件资源的手段，对上给用户提供良好（安全、稳定、高效、功能丰富等）的执行环境，这是 操作系统 的目的

注意：

• 操作系统 给我们提供非常良好的服务，并不代表 操作系统 会相信我们，反而，操作系统 不相信任何人
• 举例理解：就好比银行给我们提供良好的服务，但所有服务都是基于一个小小的柜台窗口，因为银行在为我们提供服务时要确保自身的安全，因此银行的服务是基于 窗口 进行的
• 在 操作系统 中也有类似的 窗口，不过它被称为 系统调用，也就是 系统接口
  
  

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进程理解

有了 操作系统 相关知识的铺垫后，就可以正式开始介绍 进程 了

我们可以将 操作系统 的职能分为四大板块

• 内存管理
• 进程管理
• 文件管理
• 驱动管理

本文探讨的 进程 相关知识属于 进程管理 板块

进程：

• 我们以前的任何启动并运行程序的行为，都是由 操作系统 帮助我们将程序转换为 进程，然后完成特定任务
• 一般课本定义：进程 是程序的一个执行实例，是正在执行的程序（这种说法不全面）
• 正确定义：进程 由两边组成，分别是 相关代码和数据 和 内核关于进程的相关数据结构

也就是说，一个 进程 应该有两部分，数据 与 信息，此处的 信息(进程控制块) 是由 操作系统 对代码和数据进行描述后生成的 信息块 ，原因很简单，方便进行管理，而这就是管理本质的体现： 先描述，再组织

我们对 进程 的相关学习是建立在 进程控制块 上的，上面包含了其对应 进程 的各种信息，下面就来学习一下 数据 与 信息 这两部分知识吧

代码与数据

数据生万物，任何一个进程都有自己的代码和数据，比如我们常见的 C语言 源文件，经过编译后生成的可执行程序中，就包含着二进制代码和其创建修改的时间、所处位置信息

当可执行程序 myprocess 运行时，各种数据就会被描述，生成相应的进程控制块

进程控制块

进程控制块即PCB(process control block)，Linux 中的 PCB 是 task_struct，程序会被描述生成相应的task_struct 装载至 内存 中

进程控制块包含内容：

• 标示符: 描述本进程的唯一标示符，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
• 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
• 其他信息

注： ./可执行程序 其实就是将可执行程序加载至内存中，再执行描述+组织

查看进程

我们可以通过指令来查看正在运行中的进程信息

ps 指令

$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 进程名 | grep -v grep

功能： 查看进程信息，其中利用管道进行了信息筛选，使得进程信息更加清晰

注意： 我们可以通过函数来主动查看进程的 PID

//函数：获取当前进程PID值
#include
#include

pid_t getpid(void);

将程序简单编写下，就可以验证进程块中的进程信息了

#include
#include  //Linux中睡眠函数的头文件
#include

int main()
{
  int sec = 0;
  while(1)
  {
    printf("这是一个进程，已经运行了%d秒 当前进程的PID为:%zu\n", sec, getpid());
    sleep(1); //单位是秒，睡眠一秒
    sec++;
  }
  return 0;
}

注： 当程序重新运行后，会生成新的 PID

因为查看进程的指令太长了，所以我们可以结合前面学的自动化构建工具 make ，编写一个 Makefile 文件，文件内容如下所示：

myprocess:process.c
        gcc -o myprocess process.c

.PHONY:clean
clean:
        rm -r myprocess

.PHONY:catP
catP:
        ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myprocess | grep -v grep

其中的 make catP 指令就是我们刚刚查看 进程 的那一大串指令

top 指令

$ top

这个指令之前有介绍过，相当于Windows中的 ctrl+alt+del 调出任务管理器一样，top 指令能直接调起 Linux 中的任务管理器，显然，任务管理器中包含有进程相关信息

/proc 目录

$ /proc/

注意：通过热键 tab 查看目录内容

除了上面两种指令查看进程信息外，我们还可以直接去 /proc 这个目录下查看所有进程信息

此时可以看出 PID 存在的重要性

父子进程

进程间存在 父子关系

比如在当前 bash 分支下运行程序，那么程序的 父进程 就是当前 bash 分支

其中，PID 是当前进程的ID，PPID 就是当前进程所属 父进程 的ID
我们一样可以通过函数来查看 父进程 的ID值

//函数：获取当前进程PPID值
#include
#include

pid_t getppid(void);	//用法跟上面的函数完全一样

同样对代码进行小修改，执行指令查看进程信息，可以得到如下结果：

感兴趣的同学可以去看看 bash 进程的目录中有什么内容

小结

简单总结一下：

• 我们可以通过 ps、top、/proc 查看进程信息
• 可以利用函数查看当前进程的 PID 或 PPID 值
• 如果指令很长，可以利用 Makefile 文件
• 进程间存在父子关系，默认进程的父进程为 bash

注：

• 进程可以创建也可以销毁，通过指令 kill -9 PID 可以销毁指定进程，包括 bash，当然这个指令需要在新的窗口中执行
• 也可以通过热键 ctrl+c 强制终止当前进程的运行

fork 创建子进程

/*
* 创建子进程
* 这个函数有两个返回值
* 进程创建成功时，给父进程返回子进程的PID，给子进程返回0
* 创建失败时，返回 -1
*/
int fork(void)

fork 函数是一个非常重要的函数，它能在当前进程下主动创建 子进程 ，用于程序中
编写代码如下：

#include
#include
#include

/*
 * 测试fork创建子进程
 * 理解fork函数的返回值
 * 通过if语句进行分流
 * 总结：fork创建子进程成功时，给父进程返回子进程PID，给子进程返回0，
 如果失败返回-1；通过两次fork可以发现当父进程执行后，才会去执行子进程，
 父子进程间存在独立性，即父进程被kill后，子进程任然可以运行,父子进程间存在写时拷贝机制，
 当子进程的值发生改变时，只会作用于子进程中
 */

int main()
{
  pid_t ret = fork(); //获取返回值
  int val = 1;  //比较值
  if(ret == 0)
  {
    //在子进程内再创建(孙)子进程
    pid_t rett = fork();
    if(rett > 0)
    {
      while(1)
      {
        val = 2;  //写时拷贝
        printf("二代进程正在执行 PID:%d PPID:%d 比较值为:%d 地址:%p\n\n", getpid(), getppid(), val, &val);
        sleep(1);
      }
    }
    else if(rett == 0)
    {
      while(1)
      {
        val = 3;  //写时拷贝
        printf("三代进程正在执行 PID:%d PPID:%d 比较值为:%d 地址:%p\n\n", getpid(), getppid(), val, &val);
        sleep(1);
      }
    }
    else
      printf("进程创建失败\n");
  }
  else if(ret > 0)
  {
      while(1)
      {
        val = 1;  //写时拷贝
        printf("一代进程正在执行 PID:%d PPID:%d 比较值为:%d 地址:%p\n\n", getpid(), getppid(), val, &val);
        sleep(1);
      }
  }
  else
    printf("进程创建失败\n");

  return 0;
}

程序运行结果如下：

不难发现，子进程 是否出现取决于在当前进程中是否调用 fork 函数

fork函数工作原理：

• fork 创建子进程时，会新建一个属于 子进程 的 PCB ，然后把 父进程 PCB 的大部分数据拷贝过来使用，两者共享一份代码和数据

各进程间是相互独立的，包括父子进程
这句话的含义是当我们销毁 父进程 后，它所创建的 子进程 并不会跟着被销毁，而是被 init 1号进程接管，成为一个 孤儿进程
具体表现如下：

fork 创建子进程时还存在 写时拷贝 这种现象，即存在一个全局变量，当父进程的改变值时，不会影响子进程的值，同理子进程也不会影响父进程，再次印证 相互独立 这个现象

父子进程相互独立的原因：

• 代码是只读的，两者互不影响
• 数据：当其中一个执行流尝试修改数据时，OS 会给当前进程触发 写时拷贝 机制

以上只是对 fork 函数的一个简单介绍，关于这个函数底层是如何实现的，是一件较复杂的事，限于篇幅原因，我会在以后对此函数进行补充

简单做个小结
进程小结：

• bash 命令行解释器本质上也是一个进程，可以被销毁
• 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
• 父进程被销毁后，子进程会变成 孤儿进程
• 进程间具有独立性，包括父子进程
• 因为 写时拷贝 机制，父进程不会影响到子进程

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总结

以上就是本文关于 进程 相关知识的讲解了，我们从 冯诺依曼 体系切入，理解了为什么需要 操作系统 ，以及 操作系统 是如何对计算机进行合理管理的：先描述，再组织；之后引入 进程 概念，清楚 进程 的构成及如何通过多种方式查看 进程 信息，最后学习了 fork 创建子进程，见识了 进程间具有独立性 这个重要概念。进程 的相关知识还有很多，当然这些知识得在下一篇文章一起学习了

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如果本文有不足或错误的地方，随时欢迎指出，我会在第一时间改正

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正好在大年初一发文，在此祝各位读者新年快乐！

新的一年争取做到

• 兔飞猛进
• 大展宏兔
• 兔步青云

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