Linux系统编程之进程篇0——基本进程概念

前言

本篇是Linux系统编程的“入学篇”了，经过的前面入门篇的学习，已经基本认识了该如何在 Linux系统下编写一个 C 程序并且运行调试了，还可以熟练的操作 Linux下文件，进行各种操作，本篇就将进军 多进程编程，体验 Linux的系统之美。本文所使用的环境为云主机CentOS8系统，使用 xshell 进行远程连接调试，gcc版本为8.5，所有示例均经过测试无误。

个人建议

在深入学习 Linux系统编程之前或是在学习中，一定要学习 《操作系统》这门课，不论是 大学老师课堂的讲解，还是B站大学名师的讲解，又或是经典书籍的深入浅出，一定要学操作系统，这是计算机学习工作的桂冠，在对操作系统有了基本的认识后，会对 Linux系统编程有更加清晰的认知。

多进程开发

程序和进程

程序： 包含一系列信息的文件，这些信息描述了如何在运行时创建一个进程，占用 磁盘空间

程序中应该包含的内容：

• 二进制格式标识：用于描述可执行文件格式的元信息（创建时间，大小等），系统内核 使用此信息来解释文件中的其他信息
• 机器语言指令：对程序算法进行编码
• 程序入口地址：标识程序开始执行时的起始指令位置
• 数据：程序文件包含的变量初始值和程序使用的字面量值（如字符串）
• 符号表及重定向表：描述程序中函数和变量的位置及名称。这些表格有多重用途，其中包括调试
  和运行时的符号解析（动态链接）
• 共享库和动态链接信息：程序文件所包含的一些字段，列出了程序运行时需要使用的共享库，以
  及加载共享库的动态连接器的路径名（库文件）
• 其他信息：程序文件还包含许多其他信息，用以描述如何创建进程

进程： 正在运行的程序的实例，占用内存和CPU 资源
是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元

可以用一个程序创建多个进程，进程是由内核定义的抽象实体，并为该实体分配用来执行程序的各项系统资源

从内核的角度看，进程由用户内存空间和一系列内核数据结构组成，其中用户内存空间包含了程序代码及代码所使用的变量，而内核数据结构则用于维护进程状态信息。记录在内核数据结构中的信息包括许多与进程相关的标识号（IDs）、虚拟内存表、打开文件的描述符表、信号传递及处理的有关信息、进程资源使用及限制、当前工作目录和大量的其他信息

单道/多道程序设计

单道程序： 计算机内存内只允许一个程序执行

多道程序设计： 在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使他们在管理程序控制下，相互穿插运行（时分复用），多个程序在计算机系统同时处于开始到结束之间的状态，共享计算机系统资源，可以提高CPU利用率

对于一个单 CPU 系统来说，程序同时处于运行状态只是一种宏观上的概念，他们虽然都已经开始运行，但就微观而言，任意时刻， CPU 上运行的程序只有一个

在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用 CPU。而当下常见 CPU 为纳秒级， 1秒可以执行大约 10 亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级，所以看似同时在运行

时间片

时间片： 又称为“量子（quantum）”或“处理器片（processor slice）”是操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段 CPU 时间

在只考虑一个 CPU 的情况下，这些进程“看起来像”同时运行的，实则是轮番穿插地运行，由于时间片通常很短（在 Linux 上为 5ms－ 800ms，也不能太短，否则进行调度时程序还未执行完一条指令，会影响效率，也不能太长，会导致运行有间断感），用户不会感觉到

时间片由操作系统内核的调度程序分配给每个进程。首先，内核会给每个进程分配相等的初始时间片，然后每个进程轮番地执行相应的时间（操作系统调度算法），当所有进程都处于时间片耗尽的状态时，内核会重新为每个进程计算并分配时间片，如此往复

并行和并发

并行： (parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行

并发： (concurrency)：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行

可以这样理解：

进程控制块

进程控制块： 为了管理进程，内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述。内核为每个进程分配一个 PCB(Processing Control Block)进程控制块，维护进程相关的信息，Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体。

Linux下可以在 /usr/src/linux-headers-xxx/include/linux/sched.h 文件中可以查看 struct task_struct 结构体定义

有很多内部成员，需要掌握的如下：

• 进程id：系统中每个进程有唯一的 id，用 pid_t 类型表示，其实就是一个非负整数
• 进程的状态：有就绪、运行、挂起、停止等状态
• 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器
• 描述虚拟地址空间的信息
• 描述控制终端的信息（与终端交互）
• 当前工作目录（Current Working Directory）
• umask 掩码
• 文件描述符表，包含很多指向 file 结构体的指针
• 和信号相关的信息
• 用户 id 和组 id
• 会话（Session）和进程组
• 进程可以使用的资源上限（Resource Limit）

最后

感谢观赏，一起提高，慢慢变强