深入理解Linux进程管理机制

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前言

进程是现代操作系统中一个不可或缺的概念，其主要目的在于管理资源、实现并发、提高系统效率，并确保系统的稳定性和安全性。

进程的定义

进程（Process） 是计算机操作系统中的一个基本概念，指的是一个正在运行的程序的实例。它是程序在计算机中执行的动态表现，不仅包含程序的代码（即可执行指令），还包括程序在运行时所需的各种资源，如内存、文件句柄、CPU时间等。

在理解操作系统的时候，OS是一个进行软硬件管理的软件。
进程通俗的理解就是一个被加载到内存的程序（进程也叫任务）

OS如何管理进程

在理解操作系统的时候提出来，OS进行管理是 先描述 ，后组织。

任何一个进程在被加载在内存的时候形成一个一个进程，这时候操作OS进行描述的过程。

PCB

PCB的理解

学校在对一个人管理学生的时候需要记录一个人的基本信息（是所有学生所共有的特征）有，姓名、身高、体重、身份证等等。OS引入了PCB（Process Ctrl Block）进程控制块：进程属性的集合（也就是描述的过程）

进程控制块（Process Control Block, PCB）是操作系统中用于描述和控制一个进程的最重要的数据结构。
可以把PCB理解为一个进程的"身份证"，它包含了操作系统对每个进程管理和调度所需要的所有信息。
当一个程序被创建并执行时，操作系统就为它创建一个PCB，用来追踪和管理它的状态。

PCB的内容

PCB的本质就是结构体（struct），里面储存了各种各样的信息，例如：

进程标识信息：进程ID（PID），父进程ID（PPID），用于唯一标识进程和维护进程关系。
进程状态：描述当前进程的状态，如就绪、运行、阻塞等。
CPU寄存器和程序计数器：保存当前的CPU状态，以便进行上下文切换。
内存管理信息：如页表、段表，用于描述进程的内存空间。
调度信息：包括进程优先级、时间片等，用于进程调度。
资源信息：记录进程打开的文件描述符和使用的I/O设备。

通俗的讲：进程控制块（PCB，Process Control Block）本质上是一个数据结构，它是操作系统用来描述、管理和控制一个进程的所有关键信息的集合

形象的表述为

bash 复制代码

# 进程 = PCB（内核操作系统数据结构） + 自己数据代码

通过复杂的数据结构相互联系，形成有序的属性集合的连接（组织的过程）

Linux系统下进程的管理

上述说OS是通过PCB进行进程的管理，在Linux下的PCB是tast_struct(tast_struct是PCB的一种)，Linux下管理为2点

Linux系统下通过task_struct进行属性的描述。
Linux系统下本质是通过双链表进行连接，进而达到OS对进程的管理

查看正在跑的进程：

特别说明：

CWD（Current Working Directory） ，即当前工作目录
exe是你正在执行的文件

CWD的作用

文件路径解析 ：在操作文件时，如果给定的路径是相对路径，那么相对路径就是基于当前工作目录进行解析的。例如，如果当前工作目录是/home/user，而你输入命令cat example.txt，系统会寻找/home/user/example.txt这个文件。

查看标识符

bash 复制代码

# 输入：
ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep 18549

看向第二行：

**PID（Process Identifier，进程标识符）**是操作系统分配给每个正在运行的进程的一个唯一标识符，用于区分不同的进程。
PPID（Parent Process Identifier） 是操作系统中用于标识一个进程的父进程 的标识符。每个进程都有一个PID（Process ID），此外也有一个PPID，它用来表示该进程是由哪个进程创建的。

bash 复制代码

# 我们过滤信息，为什么会出现这一行
17986 18592 18591 17986 pts/1    18591 S+    1000   0:00 grep --color=auto 18549

# 我们在过滤信息的通过`grep`, 这个也是个进程，所以在查看进程时过滤信息时候，grep也存在。

通过系统调用可以调用到获得PID和PPID

cpp 复制代码

  1 #include<iostream>
  2 #include <unistd.h>
  3 #include<sys/types.h>
  4 using namespace std;
  5 
  6 int main()
  7 {
  8     while(true)
  9     {
 10         cout << "进程id："<< getpid() <<endl;  // 调用PID
 11         cout << "进程pid："<< getppid() <<endl; // 调用PPID
 12         sleep(3);
 13     }
 14     return 0;
 15 }

执行结果：

bash 复制代码

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep 19038

bash的PID是process的PPID
bash是process的父进程，二者构成父子进程

通过系统调用创建进程

fork（）介绍

fork() 是操作系统中的一个关键系统调用，用于在运行的进程中创建一个新的进程。它最常用于Unix和Linux 操作系统中，通过调用fork()，一个现有的进程可以复制出一个新进程 。被创建的新进程被称为子进程（Child Process） ，而调用fork()的原始进程被称为父进程（Parent Process）。

fork() 的返回值

fork() 系统调用的返回值非常重要，因为它可以帮助进程分辨自己是父进程 还是子进程。

父进程中返回子进程的 PID ：在父进程中，fork() 的返回值是子进程的 PID（一个正整数），这意味着父进程可以知道新创建的子进程的进程标识符。
子进程中返回 0 ：在子进程中，fork() 的返回值为0 ，这意味着子进程可以识别自己是由fork()产生的副本。
错误返回值 -1 ：如果fork()调用失败，例如系统资源不足时，它会返回 -1，表示进程创建失败。此时，通常需要进行错误处理。

cpp 复制代码

# 执行代码

#include<iostream>
  2 #include <unistd.h>
  3 #include<sys/types.h>
  4 using namespace std;
  5 
  6 
  7 int main()
  8 {
  9     pid_t id = fork();
 10 
 11     if(id == 0)
 12     {
 13         while(true)
 14         {
 15             cout<<"子进程："<< id << endl;
 16             sleep(5);
 17         }
 18     }
 19     else if(id > 0)
 20     {
 21         while(true)
 22         {
 23             cout<<"父进程："<< id << endl;
 24             sleep(5);                                                         
 35 	return 0;
 36 }

查看进程：

bash 复制代码

# 执行 每3秒刷新一下进程
while : ; do ps axj | head -1 && ps axj | grep process | grep -v grep ; sleep 3 ;done

- 两个process 上面进程 PID 23296 下面进程的PPID是 23296
父子进程和的PID是 21346

当 fork() 被调用时，操作系统会：

操作系统 创建一个新进程（子进程），并复制父进程的地址空间。此时父子进程的地址空间是独立的，但内容完全相同。
虽然父子进程的地址空间是复制的，但现代操作系统通常使用**写时复制（Copy-on-Write）**优化。即只有在进程修改数据时，才真正复制内存。
两个独立的进程在同时独立运行实现了返回值的不同，这就是为什么出现两个返回值。

如何实现区分：

操作系统在内核中维护进程表。当 fork() 被调用时，系统为子进程分配一个新的进程表项（即子进程的 PID）。
根据系统调用的上下文，内核可以清楚地知道当前执行的是父进程还是子进程，并返回相应的值。
上述代码 在fork返回值的不同进程之间，数据发生了写时复制通过调用系统上下文对返回值进行确定。

什么出现两个返回值。

如何实现区分：

操作系统在内核中维护进程表。当 fork() 被调用时，系统为子进程分配一个新的进程表项（即子进程的 PID）。
根据系统调用的上下文，内核可以清楚地知道当前执行的是父进程还是子进程，并返回相应的值。
上述代码 在fork返回值的不同进程之间，数据发生了写时复制通过调用系统上下文对返回值进行确定。