【Linux】-进程概念及初始fork

作者：小树苗渴望变成参天大树
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前言

上篇Linux我们讲解了什么是进程，从硬件，在到软件，再到宏观上讲解了操作系统是怎么管理我们软硬件的，大家应该已经有了一定的认识和了解，今天我们就对进程展开来讲点东西，我们的在Windows这样的操作系统是使用PCB来这个的结构体形成的结构去管理的，但在Linux上我们是task_struct结构体去管理我们的软硬件的，那我们结构体里面到底有什么，在上节课我们只是把具体的属性给大家展示了，但是并不知道什么意思，今天我们先介绍其中一点，话不多说，我们开始进入正文。

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task_ struct内容分类

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

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fork一会再说，先做一个知识铺垫。

一、进程标识符

我们上篇的最后讲解了怎么去看一个进程，我们来写一个死循环的程序，防止他很快就结束进程，不方便我们去查看他的进程

   #include
   #include
   int main()
   {
       while(1)
       {
          printf("我是一个进程\n");
          sleep(1);                                                              
      }
      return 0;
  }

第一：通过proc这个文件夹去看，但是这种方法不知道对应的是哪个进程。

第二种：通过命令查看ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc或者ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep

我们的进程task_struct就是一个结构体类型的结点，ps的作用实际就是在遍历这个结构，通过grep把找到的过滤出来。我们发现一个进程有这么多个属性，我们值需要了解其中两个，其余的不重要，一个是PID(进程id)，一个是PPID(父进程id)，后面会介绍到这两者有什么关系

1.1认识第一个系统调用接口

通过计算机层状结构图，我们知道了系统调用接口是直接对接操作系统的，系统调用接口也是一个函数，一会学习的两个接口就是来查看PID和PPID的，我们来看代码：

   #include
   #include
   #include
   int main()
   {
       while(1)
       {
          printf("我是一个进程,PID:%d,PPID:%d\n",getpid(),getppid());
		//这两个系统调用接口都是一个无参函数，哪个程序去调用就返回谁的PID和PPID
          sleep(1);                                                              
      }
      return 0;
  }

我们来写一个命令当成监视窗口：while :; do ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep proc | grep -v grep ; sleep 1 ; done 这是每个1秒显示一个进程信息。

大家看到我们通过系统调用接口也把我们的id给获取到了。

大家应该会发现，我将自己写的程序运行了两次，PID两次都不同，PPID却是相同的，这是为什么呢？我们来看看这个程序PPID是什么。

这个程序的PPID是我们bash程序的PID，bash不就是我们之前说的王婆，这就是一个外壳程序，命令行解释器，是我们每次登录的时候，Linux操作系统自动就会运行这个bash程序形成了一个进程，我们写的程序就是在这个进程创建的基础下跑，当我们再次登录这个bash进程的PID又会发生变化，而我们自己写的程序每次运行的PID不一样是正常的，就好比你刚进校的学号，每个人第二次考上进去的学号都是不一样的。

通过上面的解释，操作系统是不会让你直接去在他的进程上创建子进程去运行的，是通过bash进程，我们写的程序就是他的子进程，在bash进程下创建子进程去跑的，为什么要这么做，接下来我们讲到fork就可以来解决我刚才说的问题

1.2 第二个系统调用接口fork

这个接口就可以让我们更好的认识父子进程的关系，以及上面的操作是怎么做到的，我们先来看一个例子：

大家看到我们加了fork之后，居然打印了两次，这个例子还不能说明什么，我们来看看文档

这个返回值看上去非常的抽象，是要返回两个值？？太不可思议了，我们再来看一个例子：

我们看到两个死循环都走起来了，这下更不可思议了。一个程序怎么会执行两个死循环语句呢？接下来我将通过四个问题来带大家解决疑惑：

1. 为什么fork需要给子进程返回0，给父进程返回子进程的PID
   （1）为什么要返回不同的值，是为了区分让不同的执行流，去执行不同的代码块，就好比上面的代码。
   （2）每个父进程可以有好多个子进程，子进程只有一个父进程，所以父进程需要知道子进程的PID来唯一标识要控制哪个子进程去执行。而返回0是为了标识子进程，子进程通过getppid就可以找到父进程

2. fork干了什么事情？
   

这下大家应该知道为什么要返回两次，是如何做到分流的吧，但是fork是一个函数，怎么做到返回两次呢？？

3. 一个函数是如何做到返回两次的？？
   

写时拷贝： **大家应该知道我们在Windows上，我们启动了许多个软件，但其中一个软件挂掉了会不会影响其他软件，答案是不会的，所以在任何平台上，进程在运行的时候，是具有独立性的**，那我们刚才说到fork他也是创建一个子进程，在上面我们说到，父子进程的代码和数据是共享的，那么就会导致如果子进程修改了数据，那么可能会影响到我父进程的运行，此时就不符合进程具有独立性的思想，想问一下大家，代码共享而数据不共享是不是具有独立性：答案是具有，因为你的代码最终操控都是数据，只要操作的数据不是一样的就不会影响到其他进程的运行，所以防止这种事情的发生，我们父子进程的代码时共享，数据不共享，如下图：

将父进程的数据拷贝到新的空间个给子进程自己玩，就算子进程修改了数据也是他那一块空间的数据，不会影响到父进程对应的数据，就实现了进程之间的独立性。

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此时又面临一个问题：当内存空间严重不足时，我们父进程还是把所有的数据都拷贝到子进程的数据空间里吗？如果子进程没有使用这些数据，那么不就造成资源浪费了吗？？内存要想办法给自己节省空间，所以此时就引入了写时拷贝这个概念，我们的父子进程一开始还是指向同一块数据的，如果子进程想要修改数据，内存在给其分配空间，将要修改的数据先拷贝到新空间，然后你在修改，这样就做到了用多少拷多少。

这就好比C++说的深浅拷贝，你要想看看数据，指向同一块空间也无所谓，但你要想修改内容，我给你在开辟一块空间，你修改了不能影响到我原来的数据。

有了上面的写时拷贝，我们再来谈谈fork函数返回值的问题，上面只是说到怎么返回两次的，父子进程分别去调用return就可以了，那怎么做到返回不同的值，原因就是return语句是写入，写入就要修改数据，此时内存就会将返回的数据拷贝到子进程的新数据区中，然后让子进程进行修改在返回，所以我们会返回两个同的值。

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通过上面的例子，我们发现bash进程也应该是操作系统fork出来的子进程，那我们的操作系统为什么要这么做，因为我们的操作系统也是一款软件，在内存中也有自己的进程，他不相信任何用户，所以他需要创建子进程，用户想要修改数据，修改的是子进程指向的数据空间，修改了不会影响我操作系统进程指向的数据空间，这样就保证了操作系统的安全性

相信此时大家对fork的理解又加深了，并且了解父子进程的关系了吧。

4. 一个变量是如何接收两个不同的值
   这个需要使用到我们进程地址空间的知识，但是此时已经不影响我们对fork以及父子进程的理解了，而且也知道fork的作用以及目的。

如果父子进程被创建好，fork()往后，哪个进程先运行呢？

谁先运行是由调度器去决定，调度器有自己的调度算法，这个在后面的博客会介绍到，他是怎么去调度的，目前我们上面这个问题是不知道答案的，不确定谁先被执行。

通过上面四个问题的解释，我来给fork做一个小总结：

1. fork有两个返回值
2. 父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）
3. fork 之后通常要用 if 进行分流

二、总结

通过这节的学习，我们知道了fork这个系统接口的用法，以及作用，可以说这个接口对我们的学习是又很大的帮助，可以使我们分别去做不同的事，也让我们知道函数还有又这样的功能，是我们的认知又提高了一个档次，接下来的一篇我还是介绍task_struct里面的属性-进程状态。一起来期待吧