Linux进程概念

冯诺依曼体系结构

我们常⻅的计算机，如笔记本。我们不常⻅的计算机，如服务器，⼤部分都遵守冯诺依曼体系。

截⾄⽬前，我们所认识的计算机，都是由⼀个个的硬件组件组成

• 输⼊单元：包括键盘,⿏标，扫描仪,写板等

• 中央处理器(CPU)：含有运算器（ALU）和控制器(CU)等

• 输出单元：显⽰器，打印机等

• 存储器：内存（RAM）

关于冯诺依曼，必须强调⼏点：

• 这⾥的存储器指的是内存

• 不考虑缓存情况，这⾥的CPU能且只能对内存进⾏读写，不能访问外设(输⼊或输出设备)(数据层⾯)

• 外设(输⼊或输出设备)要输⼊或者输出数据，也只能写⼊内存或者从内存中读取。

• ⼀句话，所有设备都只能直接和内存打交道

木桶效应

大家应该都听过经典的木桶原理：一只木桶能装多少水，不取决于最长的那块木板，而取决于最短的那一块。

其实这个道理，放在计算机体系里，体现得淋漓尽致。

在计算机五大核心组成中：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。其中运算器、控制器（CPU） 运算速度极快，是整台电脑里性能最强、效率最高的硬件，相当于木桶里最长的木板。

但反观存储器、输入、输出设备，读写速度、响应速度远远跟不上 CPU 的处理节奏，成了整个系统里的「短板」。

这就是计算机世界里的木桶效应：

✅ 计算机整体运行性能，不会被高性能的 CPU 拉高上限；

❌ 反而会被速度慢的内存、硬盘、外设死死限制，拖慢整体效率。

哪怕你的处理器再强悍、运算处理能力再强，一旦内存不足、机械硬盘读写缓慢，或是外设响应迟钝，CPU 就只能被迫等待，大量性能被白白闲置，整机照样卡顿、运行缓慢。

计算机系统的综合性能，由最慢的部件决定，强弱硬件无法互补，短板才是真正的性能天花板。

操作系统(OperatorSystem)

概念

任何计算机系统都包含⼀个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。

笼统的理解，操作系统包括：

•内核（进程管理，内存管理，⽂件管理，驱动管理）

• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

设计OS的⽬的

操作系统旨在统一管理计算机软硬件资源 ，屏蔽硬件细节，为用户和应用程序提供便捷、高效、安全的运行与服务环境。

• 对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源

• 对上，为⽤⼾程序（应⽤程序）提供⼀个良好的执⾏环境

操作系统结构图

理解操作系统

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：⼀款纯正的搞"管理"的软件。

如何理解"管理"

我们用一个比喻：用户（程序员）、操作系统、硬件

用户 / 程序员 = 校长
操作系统 = 辅导员
底层硬件（CPU、内存、硬盘） = 学生

管理的过程：

要管理，管理者和被管理者，可以不需要见面你（用户 / 程序员）写代码、敲命令，根本不用直接和硬盘、CPU 这些硬件打交道。你只需要告诉操作系统 "我要读写文件、运行程序" 就行。
**管理者和被管理者，怎么管理呢？根据 "数据" 进行管理！**你想存文件，操作系统就帮你把数据存到硬盘上；你想运行程序，操作系统就帮你分配内存、调度 CPU。你不用知道硬盘的磁头怎么转、CPU 怎么调度，只需要关心你得到的结果。
**不需要见面，如何得到数据？由中间层获取！**操作系统就是那个 "中间层"：
- 你要读文件 → 操作系统帮你去硬盘取数据，再给你
- 你要运行程序 → 操作系统帮你调度 CPU 和内存，再告诉你结果

再来看这个比喻：

校长（你）要管理学生（硬件），但学生太多、太底层，校长管不过来，也没必要管细节。于是有了辅导员（操作系统）：

辅导员帮校长管学生的出勤、成绩、纪律
校长只需要告诉辅导员 "统计成绩、安排课程"，不用直接管每个学生
学生只听辅导员的指令，不会直接被校长指挥

在计算机里：

校长（用户 / 程序员）：你，只负责提需求
辅导员（操作系统）：帮你管 CPU、内存、硬盘，把你的需求翻译成硬件能懂的指令
学生（底层硬件）：CPU、内存、硬盘，只听操作系统的调度

所以你看：操作系统就是那个帮你管硬件的 "辅导员"，让你不用直接面对复杂的硬件细节，只需要关心自己的业务逻辑就行。

校长(程序员 )，通过传递消息(系统调用接口 )，要求辅导员(操作系统 )获取学生(硬件)的数据

然而一个学生身上会有很多的属性:名字，性别，学号，出生日期......

每个学生都具有这些属性，因此学校可以统一管理这些属性，就可以利用结构体：

cpp 复制代码

struct student
{
    string name;//名字
    int sex;//性别
    string date;//出生日期
    string code;//学号
    .......
}

这就是->先描述，再组织（贯穿整个操作系统）；

通过特定的数据结构描述来一个对象的属性，然后组织在一起进行管理；

校长就将对学生的管理，转换到了对数据结构的管理和对数据结构的增删查改；

对应到操作系统中，一切皆文件，所有的硬件都有其属性。以此有了一个个的数据结构，操作系统就从对硬件的管理转移到了对数据结构的管理。

系统调⽤和库函数概念

1. 系统调用（System Call）

就像你直接给辅导员发指令，是你（用户）和操作系统内核之间的「直接对话」。

本质：用户态进入内核态的接口，是操作系统内核提供给用户程序的「原生服务」
特点：
- 由操作系统内核直接实现，最底层、最直接
- 开销大：每次调用都要从用户态切换到内核态，有性能成本
例子：open()、read()、write()、fork() 等，都是直接向操作系统内核发起请求。

2. 库函数（Library Function）

就像你通过班干部转达给辅导员，是对系统调用的「封装和包装」，让你用起来更方便。

本质：运行在用户态的一段代码，很多库函数内部会封装调用系统调用
特点：
- 对系统调用做了简化、增强或组合，提供更友好的接口
- 不一定每次都陷入内核，性能开销更小（比如字符串处理函数 strlen() 完全在用户态完成）
例子：C 标准库的 fopen()、fread()、printf()，内部会调用 open()、read()、write() 等系统调用，但给你做了缓存、格式化等额外处理。

两者关系一句话总结

**库函数是 "包装好的便利工具"，系统调用是 "内核提供的原生服务"。**大部分库函数都是对系统调用的封装，但也有库函数完全不依赖系统调用，系统调用不可移植，而库函数是可移植的。

进程

进程的基本概念

课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等
内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

进程=内核数据结构（PCB）+自己的程序代码和数据

• 系统中有成百上千个进程，操作系统必须将这些进程管理起来，管理方式为：先描述，再组织;

• 操作系统管理你进程，只需要管理对应的数据结构即可；因此这样的数据结构就是PCB；

• 管理并不是管理你的数据，是管理当前进程的task_struct结构体。

描述进程-PCB

基本概念

• 进程信息被放在⼀个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。

• 课本上称之为PCB（processcontrolblock）， Linux 操作系统下的 PCB 是:task_struct

task_struct-PCB的一种

• 在 Linux 中描述进程的结构体叫做 task_struct 。

• task_struct 是 Linux内核的⼀种数据结构类型，它会被装载到RAM(内存)⾥并且包含着进程的信息。

一个进程的属性

• 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......

查看进程

进程的信息可以通过如 /proc 系统⽂件夹查看

⼤多数进程信息同样可以使⽤top和ps这些⽤⼾级⼯具来获取

cpp 复制代码

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

进程的ID

每个进程都有其ID，这个就是PID，其父进程的ID是PPID。

ps命令

ps 是 process status 的缩写，它就像给当前系统的进程状态拍一张 "静态照片"，展示某一瞬间的进程信息。

语法:ps [选项]

选项	作用说明
`-a`	显示所有终端下的进程
`-u`	显示进程所属用户、CPU / 内存占用等详细信息
`-x`	显示无终端的后台进程、守护进程
`-e`	显示系统全部进程（等价 -A）
`-f`	完整格式显示，展示父进程 ID (PPID)、完整命令
`-aux`	最常用，查看全量进程 + 详细资源占用
`-ef`	查看所有进程 + 父子进程关系
`-r`	只显示正在运行的进程
`-T`	查看线程信息

常用组合：`ps aux`

这是最通用的查看所有进程的命令，信息最全：

bash 复制代码

ps aux

a：显示所有用户的进程
u：显示进程的归属用户及详细信息
x：显示没有控制终端的进程（比如后台服务）

通过系统调⽤创建进程

创造子进程fork

fork是Linux中的一个系统调用，可以创建子进程。

我们通过man fork来了解：

fork有两个返回值

子进程拿到的返回值是0 ，父进程拿到的返回值是子进程的ID，下面用代码来验证：

cpp 复制代码

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    int pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    else if(pid == 0)
        printf("I am child\n");
    else
        printf("I am father\n");
    sleep(1);
  return 0;
}

结果：

通过系统调⽤获取PID和PPID

• 进程id（PID）：getpid()

• ⽗进程id（PPID）:getppid()

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
        perror("fork");
    }
    if(pid == 0)
        printf("I am child,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
    else
        printf("I am father,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
}

父进程的pid是子进程的ppid，说通过fork创建了一个子进程。

为什么 `fork()` 函数会返回两次？

在 C 语言的进程编程里，fork() 是最让人困惑也最迷人的函数之一。

很多新手第一次用它都会懵：明明只写了一次 pid = fork();，代码里却会同时进入 if(pid == 0) 和 else 两个分支。这背后，藏着 Linux 进程创建的核心逻辑。

一、先搞懂：`fork()` 到底干了什么？

一句话总结：fork() 会复制出一个和父进程几乎一模一样的子进程，然后两个进程一起往下执行。

就像图里画的：父进程调用 fork() 时，内核会复制父进程的全部信息，包括代码、数据、寄存器状态，还有最重要的 PCB（进程控制块）。复制完成后，系统里就有了两个进程：

原来的进程：父进程
新复制出来的进程：子进程

而且这两个进程，会在 fork() 函数的同一个位置，一起往下执行代码。

二、为什么会 "返回两次"？

因为 fork() 函数在两个进程里，分别执行了一次 return：

对子进程来说 ：它是被复制出来的新进程，fork() 给它返回 0，代表 "我是子进程"。
对父进程来说 ：它是原来的进程，fork() 给它返回子进程的 PID，代表 "我创建的子进程 ID 是 xxx"。

所以，你写的代码里，fork() 表面上被调用了一次，实际上在两个进程里，各自执行了一次返回，看起来就像 "返回了两次"。

三、一句话总结

fork() 不是魔法，它只是复制出了一个新进程，然后两个进程在同一个代码位置继续执行 。fork() 的两次返回，本质是两个进程各自拿到了属于自己的返回值，而进程的独立性，全靠每个进程独有的 PCB 来保证。

冯诺依曼体系结构

木桶效应

操作系统(OperatorSystem)

概念

设计OS的⽬的

理解操作系统

管理的过程：

系统调⽤和库函数概念

1. 系统调用（System Call）

2. 库函数（Library Function）

两者关系一句话总结

进程

进程的基本概念

描述进程-PCB

基本概念

task_struct-PCB的一种

一个进程的属性

查看进程

进程的ID

ps命令

常用组合：ps aux

通过系统调⽤创建进程

创造子进程fork

fork有两个返回值

通过系统调⽤获取PID和PPID

为什么 fork() 函数会返回两次？

一、先搞懂：fork() 到底干了什么？

二、为什么会 "返回两次"？

三、一句话总结

常用组合：`ps aux`

为什么 `fork()` 函数会返回两次？

一、先搞懂：`fork()` 到底干了什么？