系统核心解析：深入操作系统内部机制——进程管理与控制指南（一）【进程/PCB】

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前面我们已经学习了系统的前置知识【冯诺依曼模型/操作系统】，这一篇博客我们开始系统的核心解析------进程！准备好了吗~我们发车去探索进程的奥秘啦~🚗🚗🚗🚗🚗🚗

进程概念😍

进程概念😍

通俗概念：执行中的程序😝

一般教材里面对于进程是这样定义的------"运行起来的程序，加载到内存的程序 "； "程序的一个执行实例，正在执行的程序"~

这是最直观的理解。一个安静的、躺在磁盘上的可执行文件（如 a.out）只是一个程序（Program）。而当你双击运行它，系统将其代码和数据加载到内存并开始执行时，它就成为了一个进程（Process）。

关键区别 ：程序是静态的（就像一本食谱），而进程是动态的（就像你按照食谱做饭的整个过程）。

内核观点：系统资源的分配实体😄

从内核来看，进程是"担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。"

这是操作系统的视角，操作系统对下的主要工作是管理软硬件资源，而进程就是操作系统进行资源分配的基本单位。每个进程在运行时，都需要被分配内存来存放其代码和数据，需要占用CPU时间来执行指令，操作系统就像一个经理，而进程就是需要资源来完成工作的员工。

我们上一篇博客提到操作系统进行管理的时候是先描述再组织~那么对于大量进程的管理也是一样的~

核心本质：PCB（进程控制块）😜

操作系统如何管理这么多复杂的进程？答案就是："先描述，再组织"。

先描述（Describe） ：操作系统为每一个进程创建一个名为PCB【进程控制块】（Process Control Block）的数据结构（在Linux中具体叫 task_struct）。这个结构体就像是进程的"简历"或"身份证"，包含了进程的所有属性信息，例如：

进程ID（PID）：唯一标识一个进程的数字。

进程状态（运行、睡眠、停止等）。

程序计数器（PC）：指向下一条要执行的指令地址。

内存指针：指向代码和数据的地址。

文件描述符表：记录该进程打开的文件。

优先级、上下文数据等。
再组织（Organize） ：操作系统将所有进程的PCB（task_struct）通过链表等数据结构组织起来。这样，对进程的管理（如创建、销毁、调度、切换）就变成了对这条PCB链表的增删改查操作。

因此，一个进程的实体 = 对应的代码和数据 + 对应的PCB数据结构。

进程排队与调度😎

由前面的概念我们可以知道，进程排队本质其实就是让对应的PCB节点进行排队。CPU的数量是远少于进程的数量，因此进程需要排队等待CPU资源。进程排队不是整个程序本身去排队，而是它的PCB去排队。操作系统调度器只关心PCB链表，它从运行队列中选中一个PCB，也就找到了这个进程的所有信息，从而能够恢复并执行它~

总结：进程是正在执行的程序，它是操作系统进行资源分配的基本单位， 一个进程的实体 = 对应的代码和数据 + 对应的PCB数据结构**。操作系统通过一个叫做PCB（Linux中为task_struct）的数据结构来描述进程，并通过管理所有PCB组成的链表来高效地组织和管理所有进程。**

task_struct😘

前面我们提到了操作系统为每一个进程创建一个名为PCB【进程控制块】（Process Control Block）的数据结构（在Linux中具体叫 task_struct），包含了进程的所有属性信息。那么我们来看看Linux中task_struct具体会包含些什么呢？

标示符（PID）

作用：每个进程独一无二的身份证号。

说明：通过这个ID，系统内核和用户（通过命令）才能精确地找到并操作某一个特定的进程。
状态

作用：描述进程当前的生命周期状态（如：运行中、睡眠中、停止、僵尸状态等）。

说明：这是进程调度的关键依据。操作系统根据状态决定是否给这个进程分配CPU资源。
优先级

作用：决定进程获取CPU资源执行的先后顺序。

说明：优先级高的进程会更容易被CPU调度，从而获得更多的执行时间。
程序计数器

作用：保存着这个进程即将要执行的下一条指令的内存地址。

说明：当进程被CPU切换出去又切换回来时【调度切换】，就靠这个值来恢复到上次的执行现场，继续运行。
内存指针

作用：指向该进程的代码、数据以及与其他进程共享的内存区域。

说明：这些指针定义了进程在内存中的"地盘"，确保了进程能正确地访问自己的指令和数据。
上下文数据

作用：保存进程在CPU寄存器中的数据（当进程被切换出CPU时）。

说明：这是实现进程切换的核心。进程被换下CPU前，必须把当前所有寄存器的值保存到它的task_struct中；当它再次被调度时，再把这些值重新加载到寄存器，就能毫不停顿地继续执行。就像大学生参军入伍需要办理休学把学习进度都记录下来，回来时才能接着学~
I/O状态信息

作用：记录进程占用的I/O设备、发出的I/O请求以及打开的文件列表。

说明：用于管理进程的所有输入输出操作，确保资源被正确分配和释放。
记账信息

作用：统计进程使用的CPU时间、资源情况等。

说明：用于系统监控、性能分析和计费。
其他信息（后续博客会继续介绍）

查看进程😁

通过前面我们知道了什么是进程？现在我们来看看查看进程~首先我们了解一下getpid() 和 getppid()这两个在 Linux/Unix 系统编程中用于获取进程标识符 （Process ID）的基础函数~

特性	`getpid()`	`getppid()`
功能	获取当前进程的 PID	获取当前进程的父进程的 PID
头文件	`#include <unistd.h>`	`#include <unistd.h>`
返回值	`pid_t`（当前进程的 PID）	`pid_t`（父进程的 PID）
关键点	唯一标识一个进程	可能变化（如果父进程先结束）

📌 通过 /proc 文件系统查看进程信息

在 Linux 中，每个正在运行的进程都会在 /proc 目录下有一个以进程 ID（PID）命名的子目录，其中包含该进程的详细信息。

除此之外，我们一般还会使用ps 命令用法，用于查看与特定关键词相关的进程信息~

📌 命令行输入
bash 复制代码
ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep "code"
这个命令实际上由两个独立命令组成，用分号 ; 分隔：

ps ajx | head -1

ps ajx: 使用 BSD 风格的选项显示详细的进程信息

a: 显示所有用户的进程

j: 显示作业格式（包含 PGID、SID 等信息）

x: 显示没有控制终端的进程

| head -1: 只保留输出结果的第一行（即标题行）

ps ajx | grep "code"

再次运行 ps ajx 获取所有进程信息

使用 grep "code" 过滤出包含 "code" 字符串的进程

命令执行后显示了两部分结果：

标题行（来自第一个命令）：

bash 复制代码

PPID   PID PGID SID TTY      TPGID STAT UID TIME COMMAND

对于各列的含义，我们先简单了解一下：

PPID: 父进程ID

PID: 进程ID

PGID: 进程组ID

SID: 会话ID

TTY: 控制终端

TPGID: 终端前台进程组ID

STAT: 进程状态

UID: 用户ID

TIME: 累计CPU时间

COMMAND: 命令名称

匹配的进程（来自第二个命令）：

bash 复制代码

10379 13543 13543 10379 pts/O    13543 S+    1001 0:00 ./code
12279 13598 13597 12279 pts/1    13597 S+    1001 0:00 grep --color=auto code

第一行是名为 ./code 的进程，第二行是 grep 命令本身（因为它也包含 "code"）~

我们可以发现重新生成可执行程序，两次运行可执行程序的pid是不一样的，但是ppid是一样的~

为什么pid每次都不一样？

pid（进程ID）是操作系统为每个新进程分配的唯一标识符，每次运行程序时，系统都会创建一个新的进程实例。操作系统使用pid来管理和区分不同的进程。由于pid是动态分配的，且系统需要保证唯一性，所以每次运行程序时都会获得一个不同的pid。
为什么ppid两次都一样？

ppid（父进程ID）表示创建当前进程的父进程的ID。ppid始终是10379，这意味着两次运行都是在同一个父进程中启动的。当我们在终端中执行./code命令时，终端Shell（bash）会创建子进程来运行程序。因此，无论运行多少次，这些子进程的父进程都是同一个Shell进程（pid: 10379）。

我们来验证一下父进程的身份，命令行输入：

bash 复制代码

ps ajx | head -1 && ps axj | grep 10379

所以我们在命令行中启动命令/程序的时候都会变成进程，该进程的父进程是bash！由子进程来运行命令/程序~

那么我们可以知道Linux系统是通过父进程创建子进程的方式来 增多进程！！！

创建进程😀

我们知道Linux系统是通过父进程创建子进程的方式来增多进程！ 那么父进程是怎么创建子进程的呢？通过前面我们知道进程= 代码和数据 + PCB。创建进程我们就需要介绍一个Linux系统中的系统调用fork（）~

我们可以使用man fork来简单看一下：

我们首先试用一下fork(),来看下面一段代码：

你们可以猜测到运行结果是什么吗？

见证奇迹的时刻到了，我们可以发现打印了两次这是一条消息~接下来我们慢慢分析

fork之后，打印了两次这是一条消息，说明不仅仅是一个进程执行了这条语句，一个是父进程，那么另外一个就是我们的子进程~

fork() 系统调用（system call）的核心思想：复制自己

当一个进程（我们称之为父进程）调用 fork() 时，操作系统会做这样一件事：几乎原封不动地复制当前进程，从而创建一个新的进程（我们称之为子进程）。

这个"复制"包括：

代码段：和父进程一模一样。

数据段：堆、栈、初始化的数据等，内容相同但位于不同的物理内存中。

进程上下文：打开的文件描述符、信号处理方式、进程状态等。

我们来验证一下：修改代码

代码运行结果：

同时fork()系统调用还有一个核心特性：

一次调用，两次返回

这是 fork 最神奇也最容易让人困惑的地方（怎么会有两个返回值呢）：

在父进程中，fork() 调用返回的是新创建的子进程的进程ID（PID）（一个大于0的数字）。

在子进程中，fork() 调用返回 0。

通过返回值，程序可以判断自己当前是父进程还是子进程，从而执行不同的分支代码。

我们同样可以通过一段代码来验证一下：

果不其然，结果确实如此~

这不禁让人困惑，怎么会有两个返回值呢？

事实上不是"一个函数返回两次"，严格来说，fork() 系统调用只执行了一次（创建子进程），但它的返回过程发生了两次------分别在两个不同的进程中。

return 的本质是写入，当函数执行到return的时候，主体功能已经完成了，从内核返回用户态的本质，就是将内核准备好的"返回值"写入到用户空间那个等待接收返回值的变量（id）中，操作系统为两个进程写入了不同的值。

特性	父进程	子进程
诞生方式	由用户启动	由 `fork()` 系统调用创建
`fork()` 返回值	子进程的 PID (>0)	0
执行起点	从 `fork()` 调用之后继续执行	从 `fork()` 调用之后开始执行
关系	调用者	被创建者

神奇的"分身术"比喻：

可以把 fork() 调用点想象成一个"分身点"。

父进程执行到此处，喊了一声"分身！"（系统调用）。

操作系统内核施展分身术，创造了一个一模一样的子进程。

法术完成后：

父进程听到耳边传来一句话："你的分身ID是 1234"。

子进程一诞生，听到的第一句话是："你是分身，你的编号是0"。

然后，父子两人都从"分身！"这句话之后开始继续各自的人生（执行后续代码），并且都记住了自己听到的那句话（不同的返回值）。

现在我们只是创建了一个子进程，如果我现在创建更多的子进程呢？

事实上，由于进程调度顺序不确定，父进程和子进程的输出可能会交错出现，也就是父子进程的运行顺序是不确定的~

总结：

fork是Unix/Linux创建新进程的核心系统调用。其核心机制是"复制父进程"：内核以父进程为模板，初始化子进程的控制结构（task_struct），并默认通过"写时复制"（Copy-On-Write）技术让父子进程高效共享相同的代码和数据页，仅在需要修改时才创建副本，从而保证进程数据独立性。fork的神奇之处在于"一次调用，两次返回"：在父进程中返回子进程的PID，在子进程中返回0。通过判断返回值，父子进程可执行不同代码分支，这是实现并发任务和"fork+exec"执行新程序的基础。它高效地实现了进程隔离与资源共享的平衡。

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