【linux学习】进程的概念和在linux系统下的基本实现情况01

大家好，我是程序员小青蛙，下面分享进程的概念以及在linux下的实现情况

一、冯・诺依曼体系结构：计算机的底层骨架

1. 核心五大部件与工作流程

• 五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
• 核心规则（必背） ：
  1. 数据与指令都以二进制形式存放在 ** 存储器（内存）** 中，程序执行前必须加载到内存
  2. CPU（运算器 + 控制器）不直接和外设打交道，只和内存直接交互
     • 外设数据必须先读入内存，CPU 才能处理；CPU 要输出的数据也必须先写入内存，再由内存传给外设
  3. 控制信号与数据信号分离：控制信号由控制器发出，数据信号在各部件间传输

2. 关键概念辨析

概念	定义	特点
存储器（体系中的）	指内存（主存）	掉电易失，速度快，临时存储数据 / 指令
外存（如磁盘）	属于外设，永久存储设备	速度慢，掉电不丢数据，程序 / 数据的永久存放地
外设	输入设备（键盘、网卡）、输出设备（显示器、网卡）	需通过驱动程序与操作系统交互

3. 生活案例理解（QQ 聊天）

1. 你在键盘输入 "你好"，数据流程：键盘 → 内存 → CPU（处理） → 内存 → 网卡 → 对方电脑内存 → CPU → 对方显示器
2. 前提：QQ 程序必须先加载到内存，CPU 才能执行代码、处理数据

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二、操作系统：硬件资源的 "大管家"

1. 操作系统的本质与目标

• 定义：一个对计算机软硬件资源进行管理的系统软件
• 核心目标 ：
  • 对下：合理管理硬件资源（CPU、内存、磁盘、外设），提高资源利用率
  • 对上：为用户 / 应用程序提供稳定、高效、安全的执行环境

2. 操作系统的四大核心管理模块

1. 进程管理：管理运行中的程序（进程），分配 CPU 时间片，实现多任务并发
2. 内存管理：管理内存空间分配 / 回收，保证进程间内存隔离，避免冲突
3. 文件系统：管理磁盘上的文件，实现数据的永久存储与高效访问
4. 驱动管理：通过驱动程序与外设交互，屏蔽硬件差异，为上层提供统一接口

3. 管理的本质：先描述，再组织

操作系统对硬件 / 软件的管理，本质和我们用 C 语言写通讯录一样：

1. 先描述 ：用结构体定义被管理对象的属性（如进程用 struct task_struct 描述，包含 PID、状态、内存地址等）
2. 再组织：用数据结构（链表、数组等）将多个对象组织起来，实现增删改查管理

• 类比：校长管理学生 → 用结构体描述学生信息，用链表组织所有学生，通过管理链表实现对学生的管理

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三、进程：运行起来的程序

1. 程序与进程的区别（核心考点）

• 程序：存放在磁盘上的静态文件，是指令和数据的集合（如 QQ.exe）
• 进程：程序加载到内存后，正在运行的实例，是动态的，有生命周期（创建、运行、终止）
• 一句话区分：程序是静态的文件，进程是程序的一次运行过程

2. PCB（进程控制块）：进程的 "身份证"

• 定义 ：操作系统用 struct task_struct 结构体描述进程，这个结构体就是 PCB
• 核心作用 ：
  1. 保存进程的所有属性：PID（进程 ID）、状态、优先级、内存地址、打开的文件等
  2. 让操作系统可以管理进程：通过链表组织所有进程的 PCB，实现调度、终止等操作

  3. task_struct 内容分类

     标示符：描述本进程的唯一标示符（PID），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，以及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（如 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

• 进程的组成 ：进程 = PCB（内核数据结构） + 进程对应的代码和数据

解析进程标识符的作用

在 Linux 中，每个进程都有两个关键的标示符：

• PID（Process ID）：进程 ID，当前进程的唯一数字编号

• PPID（Parent Process ID） ：父进程 ID，创建当前进程的进程编号

  #include <stdio.h>
  #include <sys/types.h>
  #include <unistd.h>
  
  int main()
  {
      printf("pid %d\n", getpid());   // 获取当前进程的PID
      printf("ppid %d\n", getppid()); // 获取当前进程的PPID
      return 0;
  }

  

  查看进程符

• 1. PID：操作系统识别进程的 "唯一身份证号"

• 作用：区分系统中所有进程，是进程的唯一标识

• 应用场景：

  • 管理进程：用 kill PID 命令发送信号（如终止、暂停进程）
  • 调试与监控：ps aux、top 等工具通过 PID 显示进程信息
  • 进程间通信：IPC 机制（如管道、信号）依赖 PID 定位目标进程
  • 日志记录：系统日志、应用日志中用 PID 标识事件对应的进程
• 2. PPID：记录进程的 "父子关系"

• 作用：标识创建当前进程的父进程，构建进程间的层级关系

• 应用场景：

  • 理解进程创建：通过 PPID 可以追溯进程的来源，例如命令行启动的进程 PPID 通常是 bash（终端进程）
  • 处理僵尸进程：父进程通过 PPID 识别子进程，调用 wait() 回收其退出状态
  • 孤儿进程管理：父进程退出后，子进程会被 init 进程领养，PPID 变为 1
  • 进程树管理：操作系统通过 PID 和 PPID 构建进程树，管理进程的创建与终止

3. 进程的动态属性

• 进程在调度运行时，会有不同状态（就绪、运行、阻塞等），可以被创建、调度、终止
• 常用操作：
  • getpid()：获取当前进程的 PID
  • kill -9 进程ID：强制终止进程
  • 命令行启动的进程，父进程默认是 bash（终端进程）

4. fork()：创建子进程

• 核心规则 ：
  1. fork() 执行前：只有父进程一个进程
  2. fork() 执行后：产生父进程和子进程两个进程，后续代码被父子进程共享
  3. 通过返回值区分父子进程：
     • 父进程返回子进程的 PID（大于 0）
     • 子进程返回 0
     • 出错返回 - 1
• 作用：实现多任务并发，让父子进程可以执行不同的任务逻辑

创建子进程

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int ret = fork();
printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
sleep(1);
return 0;
}

子进程返回0

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int ret = fork();
if(ret < 0){
perror("fork");
return 1;
}
else if(ret == 0){ //child
printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}else{ //father
printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}
sleep(1);
return 0;
}

进程同时进行，并发

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四、计算机的层次结构：从用户到硬件

1. 层次模型（从上到下）

1. 用户层：用户通过命令行（shell）、应用程序、开发工具操作计算机
2. 系统调用接口：操作系统提供的接口，用户程序通过它请求操作系统服务（如文件读写、进程创建）
3. 操作系统内核：进程管理、内存管理、文件系统、驱动管理等核心模块
4. 驱动程序：连接操作系统与硬件，实现对磁盘、网卡、显卡等外设的控制
5. 底层硬件：CPU、内存、磁盘、网卡、键盘、显示器等物理设备

2. 关键理解：操作系统的 "隔离与服务"

• 操作系统不相信任何用户程序，不会让用户程序直接访问硬件
• 用户程序必须通过系统调用请求操作系统服务，操作系统再通过驱动程序控制硬件
• 类比：银行系统不允许用户直接进入仓库操作，必须通过银行柜台（接口）办理业务

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复习重点清单

1. 冯诺依曼体系的五大部件和核心规则（CPU 只和内存交互）
2. 操作系统的定义、四大管理模块和 "先描述再组织" 的管理思想
3. 程序与进程的区别，PCB 的概念和作用
4. fork() 函数的执行逻辑和父子进程的区分
5. 计算机层次结构中，用户程序如何通过操作系统访问硬件