Linux进程

冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

对于运算器和控制器都是属于CPU的，CPU处理数据的速度是非常快的，其次是内存，接下来才是各种外设。这里的存储器其实就是内存了。
离CPU越近，速度越快，价格越贵，存储效率越高。

1. 输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等
2. 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
3. 输出单元：显示器，打印机等。

不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)，因为外设的速度太慢了，如果CPU直接和外设打交道，会让CPU速度下降很多。
外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。也就是说，所有的设备都只能直接和内存打交道。

正是因为我们的计算机都遵循冯诺依曼体系结构，CPU和外设都只和内存打交道，通过内存来进行各种数据的传递和处理，所以才有了今天我们大家都能用的起的笔记本电脑以及各种设备。

我们知道可执行程序在运行前要加载到内存，那这是为什么呢？

我们的程序 = 代码 + 数据，都要有CPU来进行处理，但是CPU只和内存进行交互，我们的可执行程序是.exe，本质是二进制文件，文件就存在磁盘上，该文件想要被CPU执行就要加载到内存中。

操作系统

什么是操作系统？

操作系统是一款软件，是一款进行软硬件资源管理的软件。在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

为什么要有操作系统呢？

因为我们用户是不擅长和硬件打交道的，操作系统能够把软硬件资源管理好，给用户提供良好（稳定，高效，易用，安全）的使用环境。

既然操作系统是一款搞管理的软件，那怎么管理呢？

管理一个对象的本质是管理该对象的各种属性，就比如在学校校长需要管理我们学校这么多人，他肯定不可能所有人都认识，但是他只要有我们每个人的信息（名字，学号等）就可以把我们给管理起来，操作系统也是这样，它需要管理硬件，但是他不直接和硬件打交道，他只要有各种硬件的各种信息就可以把他们给管理起来。
操作系统大部分都是用C语言写的，他想要管理各种外设的各种属性就一定会使用struct结构体把他们给描述出来，然后通过各种数据结构把他们个管理起来，这样就可以完成对他们的属性的管理，也就完成了对他们的管理。我们把这种管理总结成6个字，先描述，后组织。

我们看一下操作系统的层次结构。

操作系统管理的核心就是对内存管理，对进程管理，对文件管理，对驱动管理。

我们现在可以理解操作系统如何管理各种硬件了，当然和硬件中间还有驱动程序，每种硬件基本上都要有对应的驱动程序，不然就无法正常工作，那么系统调用接口是什么呢？

我们可以保证自己在使用操作系统是不对他进行破坏或非法操作，但是群众里面有坏人，我们不能保证所有人都不做坏事，所以操作系统直接统一不让所有人访问，但是他还要为我们提供服务，因此就有了系统调用，系统调用是写操作系统的人写的，一定不会对操作系统进行非法操作什么的，所以操作系统以系统调用的方式为我们提供各种接口，来供我们程序员使用。

但是又存在一个问题，就是系统调用对于一个刚学操作系统的小白来说，让他使用是不是难度有点大了。站在系统开发的人的角度，可以直接调用各种系统调用，将系统接口封装成各种各样好用的函数，打包成库，对于开发者来说，很多功能就不用自己去写，直接使用库函数就可以了。（C/C++都会使用C标准库）。专业的人做专业的事，提高开发效率，降低开发成本。

用户使用起来会比较麻烦，所以就有了外壳程序（shell，图形化界面）。一个用户想要访问非常底层的OS数据或者硬盘，就一定要贯穿整个层次结构。

进程

一个程序运行起来是要被操作系统管理起来的，而操作系统可能不止一个这样的程序，操作系统都要将他们给管理起来，如何管理呢？

先描述，在组织。而描述的这一系列属性我们叫做进程的PCB。Linux操作系统下的PCB是: task_struct.

可执行程序加载到内存后，操作系统会为它创建PCB将它用数据结构管理起来，我们所的进程 = 可执行程序 + 内核数据结构(PCB)。而对进程的管理就转变成了对数据结构的增删查改。

一个进程的PCB不仅仅只在一个数据结构里！

为什么这样说，一个进程的PCB会在操作系统管理的进程的链表内，也有可能在各种的队列中，所以不要认为PCB只在一个数据结构中，它的PCB中可能存在一个链表指针也可能存在队列指针。

PCB中有什么呢？

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[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
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

在Linux中创建进程有两种方式：

1. 命令行中直接启动进程，也就是我们执行的指令都是进程。
2. 通过代码来进行进程的创建。

启动进程的本质就是创建进程，一般都是由父进程创建的。而我们命令行启动的进程，都是shell外壳程序，在Linux中也就是bash。所以，我们在命令行启动的程序都是bash的子进程。我们目前执行的指令，运行的软件可执行程序都是进程。

进程的标识符 pid，对应的每个进程还有父进程id是ppid。
我们写的可执行程序就是进程都有对应的pid和ppid，我们是可以通过代码类获取的。

获取pid我们需要用到getpid这个函数。

获取ppid我们需要用到getppid这个函数。

我们写一段代码来验证一下！

#include 
#include 

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

查看进程的第二种方式：

在Linux的根目录下有一个文件叫proc，他是专门存放所有存在的进程，这个进程目录的名称就是这个进程的pid。
我们可以写一个死循环来验证一下这个事情。

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    while(1)
    {
        printf("my pid is %d\n",getpid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们让这个代码运行的同时我们查一下它的pid。

我们可以看到这个文件是存在的，可以证明我们上面所说的，但是这个文件中有很多的内容。我们现在都不关心，我们只关心两个东西。

我们可以看到cwd是指向自己的当前的工作路径的，当前路径就是可执行程序执行是所处的路径，另外我们会发现还有一个exe是指向当前的可执行程序的。也就是说，一个进程都要有自己的工作目录，并且还要能找到自己的可执行程序。

当前的工作目录是可以修改的。用chdir()这个函数。

启动一个进程，怎么理解这种行为？

启动一个进程，本质就是系统多了一个进程，OS要管理的进程多了一个，所以启动一个进程的本质就是OS为该进程创建对应的PCB在Linux下就是task_struct，然后把它管理起来。

创建一个进程，又怎么理解这种行为？

我们的程序创建一个进程的本质，就是像内存申请空间，然后保存为该进程创建PCB，保存当前的可执行程序，然后把它放到OS的进程管理列表，让OS把它也管理起来，就是创建一个进程。我们会以父进程的PCB为模板为子进程创建，进程之间是具有独立性的，首先就体现在每个进程都拥有自己的PCB，但是我们现在创建的子进程是没有代码和数据的，所以就会和父进程共享代码和数据，代码是只读的，共享没问题，但是数据，父子进程是不一样的，换言之，数据父子进程是会修改的，所以父子进程必须保证数据自己各自私有一份，怎么做到的？写时拷贝！！

我们说我们可以用代码来创建进程，怎么创建呢？

可以使用fork函数来创建子进程。

如何区分子进程和父进程呢？我们看返回值！！

我们可以看到，对于父进程来说它的返回值是子进程的pid，而子进程的返回值是0。我们可以通过一段代码来验证这个事情。

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t id = fork();
    //创建子进程
    if(id<0)
    {
        //创建失败
        return -1;
    }
    else if(id==0)
    {
        //为子进程
        int cnt = 5;
        while(cnt--)
        {
            printf("i am child, mypid is %d, myppid is %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }else
    {
        // id一定大于0，为父进程
        int cnt = 5;
        while(cnt--)
        {
            printf("i am parent, mypid is %d, myppid is %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

我们看一下运行结果：

我们看到一份代码父进程和子进程在同时执行，此时我们的心里一定有一万个为什么，别着急，接下来给大家一 一解惑。

我们说fork是创建一个子进程，那么在创建之前一定是父进程在一个人执行代码，等执行fork之后进行了代码分流。但是fork之前的代码子进程也是可以看到的，因为代码是共享的，只不过子进程不会执行之前的代码，这是因为eip寄存器会指向fork之后的代码，分流之后，eip也会被子进程继承。

一个函数为什么会有两个返回值呢？
我们说创建一个进程一定会为它的子进程创建PCB，并用自己的PCB给它进行初始化，等创建完成以后，父子进程会共享代码，数据不共享，因为代码是只读的！那 return语句也是代码，在fork函数 return 是子进程已经创建完成，所以 return的时候就已经分流了。所以才会有两个不同的返回值。

我们为什么要创建子进程？

有些东西一定是单进程无法完成的，比如一个程序想要边下载边播放音乐，单进程肯定不能完成。所以我们创建子进程是想让子进程帮助父进程完成一些工作。所以我们创建子进程就是为了让它做父进程不一样的事情，执行不一样的代码，所以才需要if的条件判断，然后父进程和子进程做不同的事情。

为什么fork给父进程返回子进程的pid，而给子进程返回0呢？
这时因为一个父进程可以有多个子进程，需要确保对应子进程的唯一性，而一个子进程只可能有一个父进程，所以都返回0。

一个CPU一次只能执行一个进程，那么父子进程fork之后，谁先执行？
这个和OS有关，谁先执行不确定，要看OS怎么决定。

那么今天的分享就到这里了，有什么不懂得可以私信博主，或者添加博主的微信，欢迎交流。