【Linux操作系统】简学深悟启示录：进程初步

文章目录

1.进程先前知识铺垫
- [1.1 冯诺依曼体系](#1.1 冯诺依曼体系)
- [1.2 操作系统](#1.2 操作系统)
2.进程
- [2.1 概念](#2.1 概念)
- [2.2 查看进程](#2.2 查看进程)
- - [2.2.1 ps用户级工具获取](#2.2.1 ps用户级工具获取)
  - [2.2.2 系统文件查看](#2.2.2 系统文件查看)
- [2.3 函数获取进程ID](#2.3 函数获取进程ID)
- [2.4 创建进程](#2.4 创建进程)
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在操作系统中，进程（Process）是程序的一次动态执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。简单来说，当你运行一个程序（如打开浏览器、启动一个 Python 脚本），操作系统就会创建一个进程，并为其分配内存、CPU 时间等资源，使其能够执行

1.进程先前知识铺垫

1.1 冯诺依曼体系

如图所示，计算机底层的硬件都要遵守该体系，大致由四部分组成：

输入设备： 鼠标、键盘、摄像头、话筒、硬盘、网卡...
存储器： 简单来说就是内存
输出设备： 显示器、播放器硬件、磁盘、网卡...
中央处理器： 即 CPU，包括运算器和控制器，对我们的数据进行计算任务（算数逻辑），以及流程进行控制

有的设备是纯输入、输出设备，有的既是输出也是输入设备

一个程序要运行，必须先从输入设备进入存储器，到 CPU 处理之后，再回到存储器，由输出设备让我们看到处理结果。该体系规定不能跳过存储器直接与 CPU 交互，简单来说就是所有设备都只能直接和内存打交道

🤔为什么必须按照这种流程?

CPU 的运算速度（纳秒级）远超外部存储设备（如硬盘、U 盘，毫秒级甚至秒级）。存储器的运算速度是适中的，如果没有存储器（尤其是内存）作为 "高速缓冲中转站"，CPU 会被外部设备的慢速拖垮 ------ 每次运算都要等外部设备慢吞吞地传输数据，效率会下降几万甚至几十万倍

1.2 操作系统

操作系统是一款进行软硬件管理的软件，对下通过驱动对硬件进行控制计算的管理，对上提供统一的接口供代码调用

🤔为什么操作系统只提供接口用于调用呢？

操作系统里有各式各样的数据，为了保护数据安全，也为了能给用户提供安全稳定的服务，让所有访问操作系统的行为，通通转化为系统调用完成

🤯操作系统是如何进行管理的？

先说结论，总结起来就是 "先描述，再组织"，以学校管理学生的入学档案数据为例，每个学生的个人信息就是一份档案，即 struct 结构体节点，将每个节点通过双向链表链接起来，即可以通过增删查改对数据进行管理，这就是操作系统的做法

2.进程

2.1 概念

既然了解了以上知识，那么进程应该是不难理解了，简单来说，进程就是一个已经加载到内存里的程序，叫做进程，也叫任务

每当有一个进程创建的时候，就会对应创建一个 PCB（process control block）对象，在 Linux 下 PCB 的具体实现是一个个的 task_struct。PCB 是描述对象的属性的集合

🚩task_ struct内容分类：

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

进程 = 内核 PCB 数据结构对象 + 你自己的代码和数据

2.2 查看进程

我们将以 process.cpp 这个循环输出的文件为例子查看进程状态(已配置 makefile 文件)，下面提到的 PID 表示该进程的 ID 值，PPID 表示该进程的父进程(进程中创建进程后，实行创建的那个进程就叫父进程，被创建的那个就是子进程)

2.2.1 ps用户级工具获取

ps 是 Linux 系统中用于查看进程状态的命令，全称是 Process Status。它可以显示当前系统中运行的进程信息，包括进程 ID（PID）、运行状态、CPU 占用率、内存使用等

a：显示所有用户的进程（包括其他用户的进程）
j：以作业控制格式显示（包含 PPID 父进程 ID、PGID 进程组 ID、SID 会话 ID 等字段）
x：显示不关联终端的进程（如后台运行的进程、服务进程等）

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep ./process 表示查看进程，显示出第一行的信息，并截取 ./process 这一条进程，grep --color=auto ./process 由于 grep 需要高亮显示而创建的进程

可以看到该进程的 PID 为 20662，父进程为 18495

再去查看对应的父进程，发现是一个名为 bash 的进程。实际上，bash 是当前登录的终端交互系统的进程，大多数命令其直接父进程通常都是当前的 bash

2.2.2 系统文件查看

根据进程的 PID 同样可以直接在系统目录 proc 下查找到对应进程

2.3 函数获取进程ID

getpid()：用于获取当前调用进程的进程 ID（PID）。这个 PID 常被用于生成唯一的临时文件名等场景
getppid()：用于获取当前调用进程的父进程的进程 ID（PPID）

🔥值得注意的是： 使用这两个函数需要包含 <sys/types.h> 和 <unistd.h> 这两个头文件，这两个函数总是成功的，不会返回错误

2.4 创建进程

fork 是用于创建新进程的指令，相当于创建该进程的子进程

当一个进程（称为父进程）调用 fork 时，系统会创建一个新的进程（称为子进程），我们知道 进程 = 内核 PCB 数据结构对象 + 你自己的代码和数据，子进程PCB还是会正常创建一个，但是自定义的数据代码就不一样了。举个例子，子进程和父进程相当于两个厨师，代码相当于菜谱，运行中的代码是不能被修改的，对于父子进程来说是共享的，就不需要再多一份浪费空间；数据相当于食材，虽然做的是同一道菜，但是肯定是两份食材，因为数据可能被修改，不可能共享同一份数据，子进程复制父进程的数据进行的是写时拷贝，只有需要修改的数据才会拿下来拷贝，避免多余的拷贝占用空间

返回值区分： 为什么要创建子进程？是为了让多个进程同时执行不同的事情，因此需要执行不同的代码块，通过 if-else条件句实现。fork 调用会在父进程和子进程中都返回，但返回值不同。在父进程中，fork 返回子进程的 PID；在子进程中，fork 返回 0 。通过判断 fork 的返回值，程序可以区分当前是在父进程还是子进程中执行

运行结果：

可以看出确实是有两个进程运行着，根据不同的分支的结果就能看出，那么我将提出三个细节上的问题

为什么fork要给子进程返回0，给父进程返回子进程PID？

子进程被创建后，其自身的 PID 对区分身份来说并非必需 ------ 子进程若需要知道自己的 PID，可通过 getpid() 系统调用获取。更重要的是，子进程需要一个明确的信号来识别自己是子进程，而 0 恰好是一个理想的特殊值，因此 0 只作为标识，而不是有效的 PID

父进程创建子进程后，通常需要对其进行后续管理（如等待子进程结束、发送信号、监控状态等），而 PID 是进程的唯一标识，父进程必须知道子进程的 PID 才能执行这些操作

fork函数是如何做到返回两次的？

看到 fork 内部的函数结构，中间部分进行相应的子进程创建操作，在 return 操作前子进程就已经创建完毕了，既然 return 也是代码，那么就是共享的，父子进程就都会执行，即 fork 函数会有两次返回

父子进程谁先运行？

这个是无法确定的，由调度器的策略决定，调度器简单来说就是一个分配进程占据CPU运行效率的组件