深度理解linux系统—— 进程概念

一、进程

进程，什么是进程？

在课本，教材中是这样描述的：程序的一个执行示例，正在执行的程序；

从内核角度来说，进程就是担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

这样说还是太抽象的，还是不能理解到底什么才是进程。

我们现在来想一下，程序要想运行，就要加载到内存，那在内存到底有多少等待执行程序呢？

很显然有很多，在内存当中有很多个等待执行的程序的代码和数据，那操作系统是不是要管理这些代码和数据？

那操作系统是如何管理的呢？还记得上篇文章理解管理中的：先描述、再组织

先描述 ，如何去描述：记录这些代码和数据的详细信息，记录在PCB中（也称为进程控制块）。

再组织 ，将每一个代码和数据对于的PCB通过数据结构(链表)组织管理起来。

这里我们先不管PCB和内核数据结构是什么；我们的进程在这里其实就是PCB+数据。

这里我们的进程就是：内核的数据结构对象 + 自己的代码和数据。

说简单一点就是：PCB + 代码和数据（在linux操作系统中，PCB就是task_struct结构体）

描述 - PCB

PCB，博主在计算机操作系统这门课程中学习到过PCB，在学校中老师讲述的PCB就是描述一个进程的各种详细信息。

虽然说学习过PCB，但还是不懂这是什么啊？

简单来说PCB就是进程属性的集合，因为进程的信息都被放在进程控制块（PCB）中。

PCB是操作系统中对进程控制块的统称，linux下PCB是task_struct。

那我们老是说PCB是描述进程的属性，那到底有哪些属性呢？

• 标识符：描述进程的唯一标识符，区别其他进程。
• 状态：进程当前所处的状态。
• 优先级：相对于其他进程当前进程的优先级。
• 程序计数器：程序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，还用其他进程共享的内存块的指针。
• 上下文数据：程序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设备的进程使用的文件列表
• 记账信息：可能包括处理器时间综合，使用的时钟数综合，时间限制等。
• 其他信息...

不看不知道，一看吓一跳啊，进程属性居然这么多；不过不用着急，我们一点点的来看进程这些属性。

组织

描述了进程PCB，那如何将进程PCB组织起来呢？

所有运行在系统中的进程都以task_struct链表的形式存储在内核中

简单来说就是在操作系统中存在一个全局链表，我们所有加载到内存中的程序对应的PCB都在这个全局链表中。

二、查看进程

有了对进程的了解之后，这里有一个疑问，我们在linux下使用的指令，它是不是进程？

是的，我们执行的所有指令、工具、我们自己的程序，运行起来它都是进程。

说了这么多，我们在linux操作系统下，能不能查看进程呢？

当然是可以的；

查看进程信息

1. 在linux操作系统中，我们所有的进程信息都存放在/proc这个系统文件夹中

一眼看去眼花缭乱的，没关系，我们接着往下看，在有一定了解之后再回来看；

2. 我们可以通过指令top和ps来查看进程信息

top

ps/ps -axj

这里我们写一个程序，写成死循环，否则运行时间太短查看不到。

//process.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
	while(1){
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

这里用到的指令

ps -axj：查看所有进程信息；

ps - axj | head -1：查看第一行信息（第一行是显示每一列指的是什么）

ps - axj | grep process：在ps - axj查看的所有进程信息中，搜索process。

&&：使用&&可以依次执行多个指令。

补充：

我们对于一个正在运行中的程序，如果不想让它继续运行，按下Ctrl + c即可；

Ctrl + c终止程序其实就是杀死进程。

我们也可以使用kill指令来终止一个进程

进程标识符pid

通过查看我们进程可以发现进行有非常多的属性，现在来看进程标识符pid；

进程标识符是描述进程唯一的，和其他进程区别的；也就是说每一个进程它的pid都不相同；

getpid()，获取当前进程的pid

我们可以通过man getpid来查看man手册中 的getpid。

可以看到查询的是2号手册，这表明这里的getpid是一个系统调用。

使用时需要包含头文件<sys/types.h>和<unistd.h>。

这里我们修改一下我们的代码：

//process.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
	while(1){
		printf("I am a process, my pid : %d\n",getpid());
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

这里我们每次循环打印一次，然后休眠一秒。

看到这里，我们知道了pid，那ppid又是什么东西？

父子进程

ppid就是父进程的pid；

当我们在一个进程a中创建了一个新的进程b，那这个新的进程b就是我们旧进程a的子进程，a就是进程b的父进程

有父进程可以有多个子进程，但是一个子进程只能有一个父进程

我们可以通过getppid来获得父进程的pid。

可以看到getppid也是一个系统调用，它返回的是父进程的pid。

现在我们再修改一下代码，输出一个程序的父进程。

//process.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
	printf("I am a process, my pid : %d\n",getpid());
	return 0;
}

这里留一个小疑问上图中process的ppid是2015，那2015进程是什么？

父子进程这里就不过多描述了，主要记住父子进程关系就行。

创建进程

上面程序是我们自己写的代码，通过编译链接形成可执行程序，我们可以通过运行程序来创建进程；那我们可不可以在程序执行的过程中创建进程呢？

当然是可以的，这里我们可以使用系统调用fork来在程序运行过程中创建进程；

如果man手册查看fork可以发现，它是用来创建一个子进程的系统调用；

这里我们先不看返回值问题，我们先来看一下应该进程创建另外一个进程的现象

//process.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
	printf("prcess running, pid : %d\n",getpid());
    fork();//创建进程
    printf("I am a process, my pid : %d, my ppid : %d\n",getpid(),getppid());
	return 0;
}

这里重点看这个系统调用的返回值：

如果创建子进程成功，就返回子进程的pid给父进程，返回0给子进程；如果创建失败就返回-1给父进程，子进程未创建。

这里我们可以是不是就可以根据fork的返回值来判断，当前进程是父进程还是子进程；然后进行分流，让父进程和子进程执行不同的代码。

//process.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    pid_t id = fork();//也使用int类型接受返回值
    if(id < 0){
        //创建子进程失败
        perror("fork");
        return -1;
    }
    else if(id == 0){
        //子进程
        while(1){
        	printf("我是一个子进程, 我的pid: %d, 我的ppid: %d\n",getpid(),getppid());
        	sleep(1);
        }
    }
    else{
        //父进程
        while(1){
            printf("我是一个父进程, 我的pid: %d, 我的ppid: %d\n",getpid(),getppid());
        }
    }
	return 0;
}

这里我们使用了循环执行指令

while :; do ps -axj | head -1 && ps -axj | grep process; sleep 1; done

我们可以看到，我们父进程的pid是4199，创建的子进程的ppid是4199也就是我们的父进程。

这里了解到了通过fork的返回值来进行父子进程分流，我们现在来思考几个问题：

• fork为什么有两个返回值
• 两个返回值是如何分别给父子进程返回的

首先，为什么要有两个返回值？

我们知道一个父进程它可以有多个子进程，而一个子进程只能有一个父进程；

那在父进程中，它怎么知道其子进程是哪一个进程呢？所以在父进程中要存储下来我们子进程的pid；

还用我们要实现父子进程的分流，那只能通过fork的返回值来判断父子进程。

OK，这里有两个返回值理解，但是**fork是如何实现给父子进程返回不同的值的？**

在解释这个之前，我们先来看一个现象：

//process.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    int x = 0;
    pid_t id = fork();//也使用int类型接受返回值
    if(id < 0){
        //创建子进程失败
        perror("fork");
        return -1;
    }
    else if(id == 0){
        //子进程
        while(1){
        	printf("我是一个子进程, 我的pid: %d, 我的ppid: %d; x = %d\n",getpid(),getppid(),x);
            x+=10;
        	sleep(1);
        }
    }
    else{
        //父进程
        while(1){
            printf("我是一个父进程, 我的pid: %d, 我的ppid: %d; x = %d\n",getpid(),getppid(),x);
        }
    }
	return 0;
}

可以看到，我们子进程修改x时，是不影响父进程的x的数据的;

这是因为父子进程共享代码，数据在修改的时候是会进行写时拷贝的。

那我们现在来看，fork是如何实现给父子进程返回不同的返回值的。

简单来说，就是在fork函数返回之前，子进程已经创建完成了（如果创建失败就只有父进程执行，返回-1）；

那在fork中已经有了父子进程的分流，而子进程修改数据不影响父进程的数据；

所以子进程返回给子进程，父进程返回给父进程，这样实现fork返回给父子进程不同的返回值。

程序进程的父进程是什么？

在上面留了一个疑问，我们程序执行是进程的父进程2015它是什么？（这里博主测试时是2015，其他时候可能不是）

我们不妨来看一下，2015这个进程是什么？

可以看到2015这个进程是-bash，那bash是什么呢？

在Linux系统中，bash是最常用的命令行解释器(shell)；

还记得在学习Linux系统中的权限时，提到过shell，它是用户与操作系统之间的接口，负责将我们的指令翻译成内核理解的指令。

bash是shell的一种实现，简单来说bash就是LInux中的命令行解释器；

我们再来想一想，我们在执行程序时，只是简单的让程序运行起来，那谁为我们创建这一个进程呢？显而易见的就是-bash了。

-bash是 登录Shell

当用户通过系统级登录(ssh、本地终端邓丽、su - username切换用户)时，系统会启动一个登录Shell；

这里可以简单理解为系统为我们创建一个-hash进程

三、查看系统文件/proc

我们在上面提到了系统文件/proc，这里面存放了所有进程信息；

那在我们自己的程序运行时，我们的进程会不会也在这个里面？

这里我们简单运行一个程序，查看一下pid：

//process.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
	printf("I am a process, my pid: %d\n",getpid());
    while(1){
        sleep(1);
    }
	return 0;
}

当前进程pid是10596；

我们查看/proc系统文件：

那这个文件中存储着哪些信息呢？

可以看到10596这个文件中存储着非常多的文件

这里我们就重点看一下cwd和exe这两个文件：

可以看到cwd和exe中存储着这样的信息；那这些信息是什么呢？

• cwd：存储当前可执行程序的绝对路径（指向进程的当前工作目录）
• exe：指向进程启动时使用的可执行文件的完整路径（进程由哪一个可执行程序启动）。

cwd

在之前，我们使用C语言中的文件操作函数fopen时，我们可以使用文件的绝对路径、也可以使用相对路径；

使用绝对路径我们可以理解，使用相对路径./test.txt时，程序是如何知道我们文件所在的位置呢？

所以cwd存储的就是进程的当前工作目录，我们在进行文件操作时使用相对路径./test.txt时，会基于cwd进行解析路径。

这里就不过多演示了；

我们可以使用通过启动进程时指定工作目录、也可以通过chdir在程序在修改工作目录

exe

exe中存储的是进程由哪一个可执行程序启动（进程启动时使用的可执行程序的完整路径）

那现在我们有一个疑问，如果进程在运行时，我们将exe指向的可执行程序删除了会怎么样？

到这里本篇文章大致内容就结束了

简单总结：

进程：内核的数据结构对象 + 自己的代码和数据

查看进程信息top/ps指令

进程的标识符pid

父子进程以及fork创建进程

补充：系统文件/proc进程文件中的cwd和exe。