进程的概念

引入

我们先不谈进程是什么东西？我么先用一个现实中的例子过渡到进程的概念！
假设你是一个大学的校长，在你的学校中有几万名学生！你应该如何才能管理好你的学生呢？在 C 语言的学习过程中我们都写过学生信息管理系统，可以从中借鉴管理的思路！
在学生信息管理系统中，每一名大学生都有自己的学号，姓名，性别，年龄等等属性，管理一个大学的学生，就是将每一个学生的基本信息组织起来，使用结构体封装起来！然后放到一个数据结构中，比如链表！之后呢我们想管理学生就只需要对这个链表进行增删改查啦！

• 假设你的学校新增了一名学生，首先你要做的就是将他的基本信息收集起来，然后插入到这个链表中来！
• 假设你要开除一名学生，你只需要将他的信息从链表中删除，再通知这个学生就行了！
• 假设你要为成绩第一的同学颁发奖学金，那么你就将链表中的学生信息按照总成绩排序，拿到成绩第一的学生的信息，然后通知他！

这个现实生活中的例子和 C 语言的学生信息管理系统思路都有一个共同点：那就是先描述被管理对象的信息，然后通过一定的形式将对象组织起来，统一管理。

这就是一个 先描述，再组织 的过程。

进程的概念

在学校的教材中，我们可能会看到这样的进程定义：一个已经加载到内存中的程序，叫做进程；或者正在运行的程序叫做进程。
我们先不看这些，我们按照刚刚讲过的思路来理解进程：在我们的电脑上是不是可以运行很多个程序，那么是不是就有很多个进程！既然有这么多的进程，那么操作系统要如何管理这些进程呢？
答案就是先描述再组织。

• 先描述：任何一个进程，在加载到内存的，形成真正的进程时，操作系统要创建描述进程的结构体对象。我们将这个结构体对象称为：进程控制块(PCB，process control block)。
  这个描述进程的结构体对象是进程属性的集合，包含：

  • 进程编号。
  • 进程状态。
  • 进程的优先级。

  等等。类比生活中的例子，操作系统对进程的管理本质上就是对描述进程的 PCB 做管理。

• 后组织：操作系统需要管理很多进程，在每个进程的结构体对象中，可以通过在 PCB 中添加 PCB* 这样的指针信息，将许许多多的进程组织起来！

因此我们能得出一个结论，进程由两部分组成：

• 描述进程相关属性的的结构体对象，即 PCB。
• 该进程的代码和数据。

查看进程的相关属性

上面讲解的是所有操作系统的共同逻辑。也就是说在不同的操作系统中 PCB 有着不同的定义。在 linux 操作系统中，描述进程属性的结构体叫做：task_struct。
我们来简单看看 task_struct 中有哪些属性吧：

• 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。

当然，linux 内核源码中的 task_struct 肯定不止这么一点东西！有兴趣你可以下载 Linux 内核源码来看看：➡️linux 内核源码下载
如果你不想下载，在文章的最后，我也会附上 linux 2.6 版本的 task_struct。
那么我们应该如何使用命令查看一些进程的相关属性呢？

ps axj

• ps axj：这个命令可以列出所有进程的部分属性。
  
  横线的部分就是进程的属性名称啦！

  如果你要查看指定进程的部分属性，可以通过管道和 grep 命令过滤一下。比如，我们写了这样的一个代码：
  
  make 生成可执行文件，./test 运行之后，我们写的程序就变成了一个进程啦！
  查看指定进程的相关属性：

  ps axj | head -1 && ps axj | grep test  
  

  ps axj 显示所有进程，ps axj | head -1 就是提取出来进程属性的名称。&& 表示执行完前面的命令紧接着执行后面的命令。ps axj | grep test ：过滤出来名为 test 的进程。

  
  我们看到不仅有 test 进程，还有一个 grep --color=auto test 这是因为我们在使用 grep 命令过滤 test 的时候，grep 进程也是携带了 test 这个过滤关键字的！自然就会被打印出来了！

  为什么 grep 也是进程呢？这个后面会讲的！

  那如果我们看这个 grep 不顺眼，不想看见他怎么办呢？很简单只需要加上 -v 选项反向匹配就行啦！

  ps axj | head -1 && ps axj | grep test | gerp -v grep
  

  

  我们也是看到了一些进程的属性：

  • PPID：父进程的编号。
  • PID：当前进程的编号
  • STAT：进程的状态。
    这些以后都会讲，现在知道怎么查看进程的属性就行了！

ps axj 命令的本质

在进程的属性中，有一个属性可以知道当前进程可执行文件的名称(等会儿就会提到)。在 linux 中 task_struct 是由双链表组织起来的。因此 ps axj 命令的本质就是遍历双链表，根据进程的可执行文件名称，找到这个进程的 task_struct 打印进程的部分属性信息！

proc 目录

• 除了上面的这种方法，还可以：ls /proc。这个文件中有所有进程的信息，这个文件中有以进程的 PID 命名的目录，这个目录里面就是进程的相关属性信息啦！

  /proc 目录是实时更新的，进程没了，就不会在这个目录中出现了。

  我们运行刚刚写的程序：./test，然后查看这个进程的 PID：ps axj | head -1 && ps axj | grep test | gerp -v grep。
  
  可以看到这个进程的 PID 是 725412。当然你的肯定和我不一样哈！然后我们进到这个目录看看看有木有一个叫做 725412 的目录！
  
  查看这个目录的内容：cd 725412; ls -al 这里的分好和刚才的 && 是一个意思，表示执行完前一个命令，接着执行下一个。
  
  我们看到有很多进程的属性呢！这里我想简单提一下 cwd 和 exe。

  • cwd：可以看到他指向的是可执行文件的所在路径！
    如果你想验证只需要将生成的可执行文件用 mv 命令移动到其他的位置就行啦！

    在这里我想提一下在 C 语言我们使用打开文件的函数 fopen，我们这样使用 fopen 的时候：

    fopen("./test.txt", "w");
    

    我们知道如果当前路径下不存在 test.txt 就会自动创建，那他怎么知道当前路径是什么，就是因为进程中有 cwd 属性，能够找到当前路径。也就是说这个路径中的 ./ 会被替换为 cwd/test.txt。

  • exe：这个简单，就是可执行文件嘛！

  可以看到，当我们 ctrl + c 结束掉进程的时候，我们在 /proc 目录下就找不到刚才存在的名为 725412 的目录了！
  

系统调用

还有一些系统调用也能获取进程的属性，这里我们就先学习两个：

• getpid()：获取调用该函数的进程的 PID。
• getppid()：获取调用该函数的进程的父进程的 PID。也就是调用该函数的进程的 PPID。

#include
#include

int main()
{
    while(1)
    {
        printf("I am a process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

可以看到，我们顺利获取了我们写的进程的 pid, ppid，上图中，运行了三次。我们发现我们写的这个进程的 pid 一直在变化，ppid 却没有，这是为啥呢？
我们直接来看看 pid 为 3627404 的进程是啥？

ps axj | head -1 && ps axj 

这不就是 bash 进程嘛！
我们看到还有两个命令形成的进程：ps axj，grep。这俩进程的 PPID 就是 bash 进程！这能说明所有的命令都是 bash 的子进程嘛？这里回答不了！等我们以后再讲。

我们重新登录 xshell，bash 进程的 pid 就会改变。因此我们登录 xshell 操作系统就会为我们创建命令行解释器(就是我们输命令，能够处理命令的那个进程)的进程，即 bash 进程。

top 命令

这个命令也能查看进程，就和 Windows 的任务管理器有点相似。

linux 内核 task_struct 一览

struct task_struct {
	volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
	void *stack;
	atomic_t usage;
	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */
	unsigned int ptrace;

	int lock_depth;		/* BKL lock depth */

#ifdef CONFIG_SMP
#ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW
	int oncpu;
#endif
#endif

	int prio, static_prio, normal_prio;
	unsigned int rt_priority;
	const struct sched_class *sched_class;
	struct sched_entity se;
	struct sched_rt_entity rt;

#ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS
	/* list of struct preempt_notifier: */
	struct hlist_head preempt_notifiers;
#endif

	/*
	 * fpu_counter contains the number of consecutive context switches
	 * that the FPU is used. If this is over a threshold, the lazy fpu
	 * saving becomes unlazy to save the trap. This is an unsigned char
	 * so that after 256 times the counter wraps and the behavior turns
	 * lazy again; this to deal with bursty apps that only use FPU for
	 * a short time
	 */
	unsigned char fpu_counter;
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE
	unsigned int btrace_seq;
#endif

	unsigned int policy;
	cpumask_t cpus_allowed;

#ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU
	int rcu_read_lock_nesting;
	char rcu_read_unlock_special;
	struct rcu_node *rcu_blocked_node;
	struct list_head rcu_node_entry;
#endif /* #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU */

#if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
	struct sched_info sched_info;
#endif

	struct list_head tasks;
	struct plist_node pushable_tasks;

	struct mm_struct *mm, *active_mm;
#if defined(SPLIT_RSS_COUNTING)
	struct task_rss_stat	rss_stat;
#endif
/* task state */
	int exit_state;
	int exit_code, exit_signal;
	int pdeath_signal;  /*  The signal sent when the parent dies  */
	/* ??? */
	unsigned int personality;
	unsigned did_exec:1;
	unsigned in_execve:1;	/* Tell the LSMs that the process is doing an
				 * execve */
	unsigned in_iowait:1;


	/* Revert to default priority/policy when forking */
	unsigned sched_reset_on_fork:1;

	pid_t pid;
	pid_t tgid;

#ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR
	/* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */
	unsigned long stack_canary;
#endif

	/* 
	 * pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling,
	 * older sibling, respectively.  (p->father can be replaced with 
	 * p->real_parent->pid)
	 */
	struct task_struct *real_parent; /* real parent process */
	struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
	/*
	 * children/sibling forms the list of my natural children
	 */
	struct list_head children;	/* list of my children */
	struct list_head sibling;	/* linkage in my parent's children list */
	struct task_struct *group_leader;	/* threadgroup leader */

	/*
	 * ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on.
	 * This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets.
	 * p->ptrace_entry is p's link on the p->parent->ptraced list.
	 */
	struct list_head ptraced;
	struct list_head ptrace_entry;

	/* PID/PID hash table linkage. */
	struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
	struct list_head thread_group;

	struct completion *vfork_done;		/* for vfork() */
	int __user *set_child_tid;		/* CLONE_CHILD_SETTID */
	int __user *clear_child_tid;		/* CLONE_CHILD_CLEARTID */

	cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
	cputime_t gtime;
#ifndef CONFIG_VIRT_CPU_ACCOUNTING
	cputime_t prev_utime, prev_stime;
#endif
	unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */
	struct timespec start_time; 		/* monotonic time */
	struct timespec real_start_time;	/* boot based time */
/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */
	unsigned long min_flt, maj_flt;

	struct task_cputime cputime_expires;
	struct list_head cpu_timers[3];

/* process credentials */
	const struct cred *real_cred;	/* objective and real subjective task
					 * credentials (COW) */
	const struct cred *cred;	/* effective (overridable) subjective task
					 * credentials (COW) */
	struct mutex cred_guard_mutex;	/* guard against foreign influences on
					 * credential calculations
					 * (notably. ptrace) */
	struct cred *replacement_session_keyring; /* for KEYCTL_SESSION_TO_PARENT */

	char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path
				     - access with [gs]et_task_comm (which lock
				       it with task_lock())
				     - initialized normally by setup_new_exec */
/* file system info */
	int link_count, total_link_count;
#ifdef CONFIG_SYSVIPC
/* ipc stuff */
	struct sysv_sem sysvsem;
#endif
#ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK
/* hung task detection */
	unsigned long last_switch_count;
#endif
/* CPU-specific state of this task */
	struct thread_struct thread;
/* filesystem information */
	struct fs_struct *fs;
/* open file information */
	struct files_struct *files;
/* namespaces */
	struct nsproxy *nsproxy;
/* signal handlers */
	struct signal_struct *signal;
	struct sighand_struct *sighand;

	sigset_t blocked, real_blocked;
	sigset_t saved_sigmask;	/* restored if set_restore_sigmask() was used */
	struct sigpending pending;

	unsigned long sas_ss_sp;
	size_t sas_ss_size;
	int (*notifier)(void *priv);
	void *notifier_data;
	sigset_t *notifier_mask;
	struct audit_context *audit_context;
#ifdef CONFIG_AUDITSYSCALL
	uid_t loginuid;
	unsigned int sessionid;
#endif
	seccomp_t seccomp;

/* Thread group tracking */
   	u32 parent_exec_id;
   	u32 self_exec_id;
/* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty, keyrings, mems_allowed,
 * mempolicy */
	spinlock_t alloc_lock;

#ifdef CONFIG_GENERIC_HARDIRQS
	/* IRQ handler threads */
	struct irqaction *irqaction;
#endif

	/* Protection of the PI data structures: */
	raw_spinlock_t pi_lock;

#ifdef CONFIG_RT_MUTEXES
	/* PI waiters blocked on a rt_mutex held by this task */
	struct plist_head pi_waiters;
	/* Deadlock detection and priority inheritance handling */
	struct rt_mutex_waiter *pi_blocked_on;
#endif

#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
	/* mutex deadlock detection */
	struct mutex_waiter *blocked_on;
#endif
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
	unsigned int irq_events;
	unsigned long hardirq_enable_ip;
	unsigned long hardirq_disable_ip;
	unsigned int hardirq_enable_event;
	unsigned int hardirq_disable_event;
	int hardirqs_enabled;
	int hardirq_context;
	unsigned long softirq_disable_ip;
	unsigned long softirq_enable_ip;
	unsigned int softirq_disable_event;
	unsigned int softirq_enable_event;
	int softirqs_enabled;
	int softirq_context;
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
# define MAX_LOCK_DEPTH 48UL
	u64 curr_chain_key;
	int lockdep_depth;
	unsigned int lockdep_recursion;
	struct held_lock held_locks[MAX_LOCK_DEPTH];
	gfp_t lockdep_reclaim_gfp;
#endif

/* journalling filesystem info */
	void *journal_info;

/* stacked block device info */
	struct bio_list *bio_list;

/* VM state */
	struct reclaim_state *reclaim_state;

	struct backing_dev_info *backing_dev_info;

	struct io_context *io_context;

	unsigned long ptrace_message;
	siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use.  */
	struct task_io_accounting ioac;
#if defined(CONFIG_TASK_XACCT)
	u64 acct_rss_mem1;	/* accumulated rss usage */
	u64 acct_vm_mem1;	/* accumulated virtual memory usage */
	cputime_t acct_timexpd;	/* stime + utime since last update */
#endif
#ifdef CONFIG_CPUSETS
	nodemask_t mems_allowed;	/* Protected by alloc_lock */
	int mems_allowed_change_disable;
	int cpuset_mem_spread_rotor;
	int cpuset_slab_spread_rotor;
#endif
#ifdef CONFIG_CGROUPS
	/* Control Group info protected by css_set_lock */
	struct css_set *cgroups;
	/* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */
	struct list_head cg_list;
#endif
#ifdef CONFIG_FUTEX
	struct robust_list_head __user *robust_list;
#ifdef CONFIG_COMPAT
	struct compat_robust_list_head __user *compat_robust_list;
#endif
	struct list_head pi_state_list;
	struct futex_pi_state *pi_state_cache;
#endif
#ifdef CONFIG_PERF_EVENTS
	struct perf_event_context *perf_event_ctxp;
	struct mutex perf_event_mutex;
	struct list_head perf_event_list;
#endif
#ifdef CONFIG_NUMA
	struct mempolicy *mempolicy;	/* Protected by alloc_lock */
	short il_next;
#endif
	atomic_t fs_excl;	/* holding fs exclusive resources */
	struct rcu_head rcu;

	/*
	 * cache last used pipe for splice
	 */
	struct pipe_inode_info *splice_pipe;
#ifdef	CONFIG_TASK_DELAY_ACCT
	struct task_delay_info *delays;
#endif
#ifdef CONFIG_FAULT_INJECTION
	int make_it_fail;
#endif
	struct prop_local_single dirties;
#ifdef CONFIG_LATENCYTOP
	int latency_record_count;
	struct latency_record latency_record[LT_SAVECOUNT];
#endif
	/*
	 * time slack values; these are used to round up poll() and
	 * select() etc timeout values. These are in nanoseconds.
	 */
	unsigned long timer_slack_ns;
	unsigned long default_timer_slack_ns;

	struct list_head	*scm_work_list;
#ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER
	/* Index of current stored address in ret_stack */
	int curr_ret_stack;
	/* Stack of return addresses for return function tracing */
	struct ftrace_ret_stack	*ret_stack;
	/* time stamp for last schedule */
	unsigned long long ftrace_timestamp;
	/*
	 * Number of functions that haven't been traced
	 * because of depth overrun.
	 */
	atomic_t trace_overrun;
	/* Pause for the tracing */
	atomic_t tracing_graph_pause;
#endif
#ifdef CONFIG_TRACING
	/* state flags for use by tracers */
	unsigned long trace;
	/* bitmask of trace recursion */
	unsigned long trace_recursion;
#endif /* CONFIG_TRACING */
#ifdef CONFIG_CGROUP_MEM_RES_CTLR /* memcg uses this to do batch job */
	struct memcg_batch_info {
		int do_batch;	/* incremented when batch uncharge started */
		struct mem_cgroup *memcg; /* target memcg of uncharge */
		unsigned long bytes; 		/* uncharged usage */
		unsigned long memsw_bytes; /* uncharged mem+swap usage */
	} memcg_batch;
#endif
};

总结

• 管理 = 先描述，再组织
• 进程 = PCB + 数据 + 代码
• 查看进程属性
  • ps axj
  • /proc
  • 系统调用
    • getpid()
    • getppid()
  • top