《Linux从练气到飞升》No.12 Linux进程概念

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前言

本篇我们将正式进入Linux的世界，首先先要讲的就是进程，进程是什么？怎么描述？如何组织、查看？如何创建？本篇都将详细讲解~

进程基本概念

• 课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等

实际上，我们启动一个软件的本质上就是启动了一个进程，在Linux系统中运行 ./a.out 时，其实就是在系统的层面上创建了一个进程，如下：

#include     
#include     
int main() {   
    while(1)   
    {   
        printf("hello world!\n");   
        sleep(1);   
    }   
    return 0;   
} 

• 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

从内核观点看的话，就是如下图这样，后面再讲概念。

按照之前操作系统篇讲过的先描述再组织，所以可以预言系统中会存在一个管理对应进程的结构体，因为不同的进程的属性不同，不可能直接管理进程，只能通过一个结构体来管理它，这个结构体的内容应该包括该进程的各个属性，我们之后叫它PCB（process control block），当然不同的系统中的叫法可能不同，但是理念是一样的。

区分程序和进程：

1. 程序的本质是一个静态文件，存储在磁盘中

2. 进程是对应的代码+数据+进程对应的PCB结构体

描述进程-PCB

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-PCB的一种

在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。
task_struct是Linux内核的一种数据结构（双向链表），它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

task_ struct内容分类

• 1. 进程标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。

进程PID是在当前操作系统中唯一标识一个进程的标识符。

ps aux命令可以查看当前操作系统中所有的进程信息

• 2. 进程状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。
     进程状态：
     三种状态：
     运行态：正在拿着CPU资源进行运算的进程所持有的状态
     就绪态：一切的准备资源都准备就绪了，等待操作系统分配CPU资源
     阻塞态：等待某种资源到来之后才能进行运算
     细分状态：
     R：运行状态
     S：可中断睡眠状态：意味着进程在等待事件完成
     

     D：不可中断睡眠状态：有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程
     通常会等待IO的结束。

     T：暂停状态：可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发
     送 SIGCONT 信号让进程继续运行。

     t：跟踪状态，当进程被gdb调试时会产生t
     X：死亡状态：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态
     Z：僵尸状态：一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程没有读取到子进程退出的返回代码时就
     会产生僵死(尸)进程

• 3. 进程优先级: 相对于其他进程的优先级。
• 4. 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。
     
• 5. 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
     
• 6. 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据。
     
• 7. 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。
• 8. 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、cpu使用率、内存使用率、CPU使用时长。
• 9. 其他信息

组织进程

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。

查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

#include 
#include 
#include 
int main() {
    while(1)
    {  
        printf("hello world!\n");
        sleep(1);
    }  
    return 0; 
}

ps aux | grep mycode | grep -v grep

通过系统调用获取进程标示符

• 进程id（PID）
• 父进程id（PPID）
  返回0为子进程，返回大于0（子进程PID）为父进程，返回小于0，创建失败

#include 
#include 
#include 
int main()
{
	printf("pid: %d\n", getpid());
	printf("ppid: %d\n", getppid());
	return 0;
}

通过系统调用创建进程-fork初识

1. 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）。

• 代码是逻辑，一般不可被修改，数据，即可读又可写。

• 进程是有独立性的，父子进程fork完毕后，谁先运行是不确定的，这个有调度器决定。

测试代码：

#include 
#include 
int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("begin fork...\n");
    fork();
    printf("end fork...\n");
    return 0; 
}

结果：出现两个end fork…

测试代码

#include 
#include 
int main(int argc, char *argv[]) {
    
    printf("create process failed\n");
    pid_t pid=fork();
    if(pid<0)
    {
        printf("create process failed\n");
    }
    else if(pid == 0)
    { 
        printf("create child success\n");
    }
    else
    { 
        printf("create parent success\n");
    }
    printf("end fork...\n");
    return 0;
}

结果：


pid进入两个分支说明了有两个pid值，也就说明fork有两个返回值，

为什么会有两个返回值？

1. 因为fork内部，父子各自会执行自己的return语句
2. 返回两次，并不意味着缓存两次。（以后讲）

return后核心代码都执行完了吗？

完成了

fork函数是怎么新建进程的？

操作系统和CPU运行某个进程，本质就是从task_struct链表中挑一个task_struct来执行它的代码，只要想到进程就要优先想到对应的task_struct，而进程调度就变成了在task_struct链表中选择一个进程的过程，fork函数就是再创建一个进程和task_struct，并将这个task_struct添加到task_struct队列中。

为什么给子进程返回0，父进程返回子进程的pid？（感性分析一下，并不完全正确）

子进程只有一个父进程，而父进程可以有多个子进程，fork之后，给父进程返回子进程的pid可以方便父进程对子进程进行管理，而父进程对子进程是唯一的，子进程只需要知道自己是否创建成功，成功创建后的父进程是谁即可。

既然子进程有父进程，那最终的父进程是谁？

是bash，bash是所有进程的父进程，验证如下： 子进程的ppid是父进程的pid，而父进程的ppid是bash，所以bash是所有进程的父进程。
代码：

#include
        #include
        int main()
        {  
            int ret=fork();
            if(ret<0)
            {  
                printf("fork error!\n");
            }  
            else if(ret==0)
            {  
                printf("i am child:%d ret=%d\n",getpid(),ret);
            }  
            else
            {  
                printf("i am parent:%d ret=%d\n",getppid(),ret);
            }  
            return 0; 
        }  

运行结果：

查看：

ps aux | grep 32158

2. 父进程先运行还是子进程先运行？

• 子进程在被创建后，在内核中会生成一个PCB对它进行管理，这个PCB会被挂在PCB构成的双向链表当中组织起来
• 而父进程与子进程谁先运行是不确定的，取决于操作系统的调度
• 它是抢占式执行的，也就是OS会给进程运行一段时间然后中止，把CPU资源让给其他进程。
• 子进程在创建出来以后，子进程的运行与父进程无关了

3. 创建子进程时OS要做什么？

本质上就是新建了一个task_struct加入到系统中

后记

本篇主要讲述了进程的基本概念以及如何描述进程——PCB，并且讲述了如何通过系统调用获取进程标识符，如何创建子进程——初识fork，更为深入的讲解将在后面的文章进行讲述~