【Linux】进程的概念 | 进程控制块 PCB

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💭 写在前面：本章我们将带着大家深入理解 "进程" 的概念，"进程" 这个概念其实使我们一直在接触的东西，只不过这个概念我们没有框出进行详细讲解罢了，本章我们就把 "进程" 这货挖出来好好地深入理解一番！引出进程的概念后，我们最后再讲解一下 PCB，针对什么是 PCB 以及为什么要有 PCB 等一系列问题进行讲解。本章结束后，我们接下来会谈论进程状态和优先级，我们会重点关注状态的讲解。再将的过程中我们还会串入竞争、独立、并发和并行的概念，还会涉及到进程调度和切换的理解。

Ⅰ. 进程的概念（Process）

0x00 引入：什么是进程？

" Process is a running program. "

进程是一个运行起来的程序。

这句话在很多教科书上出现，但是这说了跟没说一样，什么是运行起来的程序呢，

跑或没跑？跑起来的程序，和没跑起来的程序？我们不放首先来思考一个问题：

❓ 思考：程序是文件吗？

是！都读到这一章了，这种问题都无需思考！文件在磁盘哈。

本章一开始讲的冯诺依曼，磁盘就是外设，和内存与 CPU 打交道，它们之间有数据交互。

你的程序最后要被 CPU 运行，所以要运行起来必须先从磁盘外设加载到内存中。

因此，当可执行文件被加载到内存中时，该程序就成为了一个进程。

0x01 承上启下：先描述再组织

我们还是首先思考一个问题，通过问题去引出我们的知识点。

❓ 思考：操作系统中可能存在多个进程吗？

操作系统里面可能同时存在大量的进程！

既然如此，那操作系统要不要将所以后的进程管理起来呢？

当然要，不要不就乱套了？当前想调用哪个进程，想让哪个进程占用 CPU 资源，

想执行哪个资源，数据一大你不管怎么行？所以我们刚才再次讲解了操作系统管理的概念：

被管理对象的管理本质上是对数据的管理。那么对进程的管理，本质上就是对进程数据的管理。

所以还是那句话 —— 我们需要 先描述再组织。（上一章我们讲过）

所以，当一个程序加载到内存时，操作系统做的不仅仅只是把代码和数据加入到内存，

还要管理进程，创建对应的数据结构。我们讲的是 Linux 操作系统，

Linux 操作系统的内核是 C 语言写的，所以我们管理进程，就要先描述再组织，

那描述一个事物我们当然是要用 ——

0x02 进程控制块（PCB）

/* Process Ctrl Block */
struct task_struct {
    进程的所有属性数据
};

在操作系统中，我们把描述进程的结构体称为 $\textrm{PCB}$ (Process Ctrl Block) 。

在很多教材中，会把 $\textrm{PCB}$ 称为 进程控制块。

❓ 为什么每个进程都要有 $\textrm{PCB}$ 呢（task_struct）？

💡 因为操作系统要管理我们的进程，想要管理就必须要 "先描述再组织" 。

❓ 为什么我们的 task_struct 每个进程都要有呢？

💡 因为这是为了管理进程而描述进程所设计的结构体类型，将来当有一个进程加载到内存时，
操作系统在内核中一定要为该进程创建 task_struct 结构体变量，
并且要将该变量链入到全局的链表当中。要删掉一个进程，实际上就是遍历所有的链表结点，
把对应进程的 $\textrm{PCB}$ 和代码都释放掉，这就叫对链表做管理。
最终你会发现，操作系统对进程的管理，最终变成了对链表的增删查改。

什么是进程？目前为止我们可以总结成：进程 = 可执行程序 + 该进程对应的内核数据结构

💭 task_struct 是一个非常大的结构体：

struct task_struct {
    volatile long state;
    void *stack;
    atomic_t usage;
    unsigned int flags;     
    unsigned int ptrace;
    unsigned long ptrace_message;
    siginfo_t *last_siginfo; 

    int lock_depth;         

#ifdef CONFIG_SMP
#ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW
    int oncpu;
#endif
#endif

...
}

0x03 系统接口

OS 为神马要给我们提供服务呢？因为计算机和 OS 设计出来就是为了给人提供服务的。

printf or cout $\rightarrow$ 向显示器打印，显示器是硬件

所谓的打印，本质就是将数据写到硬件。

你自己的 C 程序，有资格向硬件写入吗？你是没有资格这么做的。

如何提供服务？

操作系统不相信任何人的，不会直接暴露自己的任何数据结构，代码逻辑，其他数据相关的细节。

想做系统是通过 系统调用 的方式，对外提供接口服务的。

Linux 操作系统是用C语言写的，这里所谓的 "接口"，本质就是C函数。

我们学习系统编程，本质上就是学习这里的系统接口。

Ⅱ. 进程查看

0x00 通过指令查看进程

我们先创建一个 mytest.c 文件，然后写上一个死循环，每隔1秒就打印一句话：

生成 mytest 可执行文件后，使用 ldd 和 file 去查看：

对我们来说，既然他是 executable 那么就是可执行文件，它就是在磁盘上放着。

而我们使用的是云服务器，所以不是在你自己电脑的磁盘上，而是在云服务器的磁盘上放着。

接下来我们 ./mytest 去运行它，此时这个程序就变成了一个进程：

那么此时，在系统中我们可以使用 ps 查看进程：

$ ps aux
$ ps ajx

/* 含义 */
1）ps a     显示现行终端机下的所有程序，包括其他用户的程序。
2）ps -A    显示所有程序。
3）ps c     列出程序时，显示每个程序真正的指令名称，而不包含路径，参数或常驻服务的标示。
4）ps -e    此参数的效果和指定"A"参数相同。
5）ps e     列出程序时，显示每个程序所使用的环境变量。
6）ps f     用ASCII字符显示树状结构，表达程序间的相互关系。
7）ps -H    显示树状结构，表示程序间的相互关系。
8）ps -N    显示所有的程序，除了执行ps指令终端机下的程序之外。
9）ps s     采用程序信号的格式显示程序状况。
10）ps S    列出程序时，包括已中断的子程序资料。
11）ps -t   <终端机编号> 　指定终端机编号，并列出属于该终端机的程序的状况。
12）ps u 　 以用户为主的格式来显示程序状况。
13）ps x 　 显示所有程序，不以终端机来区分。
14）ps -l   显示详细PID信息

我们这里就先用 ps aux 来做个演示：

此时他就会将你系统中所有的进程显示出来，这些都是系统中所对应的相关启动进程。

我们刚才直接使用 ps aux 打出来的都是以行为单位，如何我想查看我们刚才的 mytest 进程呢？

我们可以尝试使用 grep 抓一下：

$ ps aux | grep 'mytest'

🚩 结果如下：

诶？这个 $grep$ 怎么也看得到？不要惊讶，请坐：

如果你不想见到 $grep$ 进程，你就把 grep 关键字屏蔽掉就行：

$ ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

看到这里，你应该能发现了，其实没有什么神奇的，就相当于所有的指令是进程而已。

0x01 通过 proc 目录查看进程信息

上面我们讲述了查看进程的第一种方式，即最常用的 ps aux 。

下面我们要来讲解第二种方式，在讲解之前我们先来探讨一下 "当前路径"

ls /

proc：内存文件系统，里面放的是当前系统实时的 进程信息。

既然如此，现在我们就用 $\textrm{{\color{Blue} proc}}$ 看一下我们的 process 进程信息：

这些都是什么玩意？乱七八糟的，蓝色标出的是目录……

此时我们要先引入一个新的概念：进程 pid （process id）

0x02 进程 ID（pid）

上面的这些蓝色的数字，实际上就是进程的 $\textrm{pid}$ ，这个我们讲完 $\textrm{{\color{Blue} proc}}$ 之后会说。

每一个进程在系统中，都会存在一个惟一的标识符！

这就如同每个人都有身份证号一样，进程也需要标号的，所以每个进程都存在有一个 $\textrm{pid}$ 。

我们的 mytest 现在还在后台欢快的跑着呢，此时我们可以把所有的 title 列名称显示出来：

ps aux | head -1

此时我们成功把属性提取出来了，我们使用 && 进行下一步操作

（逻辑与，前面指令成功再执行下面的指令）

ps aux | head -1 && ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

这就是当前进程的 $\textrm{pid}$ ，刚才我们说了： $\textrm{{\color{Blue} proc}}$ 里保存的是内存当中实时的进程信息。

那我们在 $\textrm{{\color{Blue} proc}}$ 目录下找到这个 $24422$ ，发现这个 ${\color{Blue} 24422}$ 目录确实存在！

ls /proc/找到的pid

既然是实时的，那我们把跑的正欢的 mytest 进程 ctrl+ c 干掉，

看看这个文件夹是否还健在：

我们再用同样的指令去查，那 ${\color{Blue} 24422}$ 目录下的内容应当是不复存在的：

我们已经证明了实时的概念，现在我们再去研究一下进程的信息，我们再把进程启动起来。

启动之后再查 ${\color{Blue} 24422}$ ，发现还是没有：

呵呵，那是当然的，原因很好猜，因为重开了嘛！我们在用指令去查看新的 $\textrm{pid}$ ：

ps aux | head -1 && ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

进程 $\textrm{pid}$ 发生了变化： ${\color{Blue} 24422}$ $\rightarrow$ ${\color{Blue} 10117}$

好了，现在我们知道 $\textrm{pid}$ 是 ${\color{Blue} 10117}$ 了，我们进去查看下进程属性：

这里面的东西很多，目前想搞懂里面都是做什么的还为时尚早，我们先 -al 看看细节：

$ ls /proc/10117 -al

我们重点去关注 exe 和 cwd：

exe：指出进程对应的可执行程序的磁盘文件
cwd：指出进程当前的工作路径

下面我们先终止进程，修改一下 mytest.c 文件的内容，给它加一个文件操作：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    FILE* fp = fopen("log.txt", "w");  // 若不存在就创建之
    while (1) {
        printf("I am m a process!\n");
        sleep(1);
    }
}

成功运行，此时我们 ls 就能发现当前路径下多出一个 log.txt 文件，这就是我们自己创建的：

我们早在《维生素C语言》专栏就说过，fopen 后面如果不带路径，那么会默认在当前路径。

所谓的当前路径，其本质！也浮现出来了 —— 当前进程所在的路径

进程会自己维护，进程会知道自己的工作路径在哪里：

（说实话，博主真的画嗨了哈哈哈哈受不了了太好笑了）

$\textrm{pid}$ ，当前路径，这些东西在哪里呢？

进程的内部属性！在进程的进程控制块 $\textrm{PCB}$ (task_struct) 结构体中！

0x03 获取 pid（getpid 函数）

下面我们隆重介绍下获取 $\textrm{pid}$ 的函数 —— getpid()

想要查看进程 $\textrm{pid}$ ，一定是这个进程得运行起来。

我们不妨先问问 Linux 手册中的那个男人，getpid 的下落：

$ man 2 getpid

💬 我们修改一下刚才的 mytest.c 代码：

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

int main(void) {
    while (1) {
        printf("I am m a process! , pid: %d\n",getpid());
        sleep(1);
    }
}

🚩 运行结果如下：

启动后，我们发现我们的 mytest 可执行程序的 $\textrm{pid}$ 为 $17599$ 。

是否果真如此？我们还是用 ps aux 验证一下看看：

ps aux | head -1 && ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

0x04 杀进程（kill -9）

我们再来回忆一下我们是如何杀掉一个进程的…… $\textrm{ctrl + c}$

这是我们之前讲的，在 Linux 命令行中的热键，遇到问题解决不了可以用它来中止。

所谓的 $\textrm{ctrl + c}$ 就是用来杀进程的。除此之外，你也可以选择在另一个终端中使用 kill 命令：

$ kill -9 [pid]   # 给这个进程发送9号信号

当前你只需要知道可以通过 kill -9 命令杀掉进程就行了，至于这个 $9$ 号信号，我们会放在后面的信号章节去讲！

比如我们现在想杀掉刚才运行的, 打出进程 $\textrm{pid}$ 的 mytest 进程，其 $\textrm{pid}$ 为 $17599$ ：

0x05 父进程 ID（ppid）

$\textrm{ppid}$ (parent process id)其实就是父进程 $id$ 。

$\textrm{pid}$ 可以通过 getpid() 函数获取，其实 $\textrm{ppid}$ 也有与之对应的函数，那就是 getppid() 。

我们还是从 mytest.c 下手，刚才我们加入了 getpid，现在我们再给句子后面加入 getppid。

我们再次清楚那个男人 —— man 手册出来：

💬 代码：mytest.c

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

int main(void) {
    while (1) {
        printf("I am m a process! , pid: %d, ppid: %d\n",getpid(), getppid());
        sleep(1);
    }
}

🚩 代码运行结果：

我们从中得知，其 $\textrm{pid }= 375,\, \textrm{ppid} = 24506$

我们还是验证一下，这里要看 $\textrm{ppid}$ ，刚才的 ps aux 是显示不到的，这里介绍一下 ps ajx ：

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 'mytest' | grep -v grep

ps ajx 就能把 $\textrm{ppid}$ 和 $\textrm{pid}$ 同时显示出来了。

我们刚才发觉到 $\textrm{pid}$ 在每次启动都会重新分配，但是好像这里的 $\textrm{ppid}$ 似乎恒定不变啊。

❓ 思考：我的父进程为什么不变？是谁呢？

这个神奇的父进程 $24506$ 是何许人也？我们来把他挖出来看看：

ps axj | head -1 && ps axj | grep 24506

我们的父进程竟然是一个叫 $\textrm{-bash}$ 的东西！这个现象，我们可以推导出一个假设：

几乎我们在命令行上所执行的所有指令包括你自己定义的 cmd，都是 $\textrm{-bash}$ 进程的子进程。

0x06 使用 fork() 创建子进程

" fork！！！其实就是父亲用来造孩子的工具 "

fork()

fork 函数是用来创建子进程的，它有两个返回值。父进程返回子进程的 $\textrm{pid}$ ，给子进程返回 0。

" 哈哈哈哈，fork 函数居然有 2 个返回值。"

💬 代码演示：我们来看看会发生什么

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

int main(void) {
    pid_t id = fork();

    printf("Hello, World!\n");
    sleep(1);
}

🚩 运行结果如下：

现在我们再来验证一下返回值的问题，我们把 id 给打印出来：

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

int main(void) {
    pid_t id = fork();

    printf("Hello, World! id: %d\n", id);
    sleep(1);
}

打印了两次 printf ……

❓ 思考：

同一个 id 值，使用打印，没有修改，却打印出来了不同的值？为什么？这合理吗？
fork 如何做到会有不同的返回值？

哈哈哈真的有够逆天的，如果你之前没有学过这块知识，只是学习了C语言，

（这部分知识我们将在进程地址空间中讲解）

刚才已经很离谱了，现在我们再看一个离谱的东西 ——

C 语言上 if 和 else if 可以同时执行吗？C语言中，有没有可能两个以上的死循环同时运行？

不可能，绝对不可能。但是马上你就能看到这一神奇现象：

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

int main(void) {
    pid_t id = fork();

    /* id:  0 子进程， >0 父进程 */
    if (id == 0) {
        // child
        while (1) {
            printf("我是子进程，我的pid: %d，我的父进程是 %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    } else {
        // parent
        while (1) {
            printf("我是父进程，我的pid: %d，我的父进程是 %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
}

🚩 运行结果如下：

我们发现，这两块代码是可以同时执行的。

原因：fork 之后，父进程和子进程会共享代码，一般都会执行后续的代码。这也是为什么刚才的 printf 会打印两次的原因。fork 之后，父进程和子进程返回值不同，所以可以通过不同的返回值去判断，让父子执行不同的代码块。

❓ 问题1：父进程返回子进程的 $\mathrm{pid}$ ，给子进程返回 0，为什么？

父进程必须有标识子进程的方案，fork 之后给父进程返回子进程的 $\mathrm{pid}$ 。子进程最重要的是要知道自己被创建成功了，因为子进程找父进程的成本非常低。

如果想获取，直接 getppid() 即可。

❓ 问题2：为什么 fork 会返回两次？

fork 函数，OS syscall call，fork 之后，OS 做了什么？是不是系统多了一个进程？

task_struct + 进程代码和数据
task_struct + 子进程的代码和数据

子进程的 task_struct 对象内部的数据基本是从父进程继承下来的。

子进程执行代码，计算数据的，子进程的代码从哪里来呢？
和父进程执行同样的代码，fork 之后，父子进程代码共享，而数据要各自独立！

父进程代码共享，让不同的返回值，让不同的进程执行不同的代码。

"如此一来，就让父子有了协作。"

总结：我们在系统调用后，fork 本质是系统多了一个子进程，也就多了一个 task_struct，该进程控制块会几乎继承父进程，代码父子进程共享，但数据是各自私有的。

fork 的时候是要执行很多创建代码的逻辑的，最终 fork 会有两个返回值，一定是它曾经返回了2,次，因此一定会调用，return pid。

调用一个函数，当这个函数准备 return 的之后，那么这个函数的核心功能完成了吗？

当我们函数准备执行 return 的时候，函数的核心功能已经完成。

① 子进程已经被创建了
② 将子进程放入运行队列

最后，return 是代码吗？是的！所以当我们走到 return 时父进程有了，子进程也已经在运行队列了，fork 后代码共享，父子进程当然会执行后续被共享的 return 代码。因此，父进程执行一次 return，子进程执行一次 return，最后就是两个返回值了。

以后凡是说进程，必须先想到进程的 task_struct

📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2022.3.
❌ [ 勘误 ]   /* 暂无 */
📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
              本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！

📜 参考资料

C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

比特科技. Linux[EB/OL]. 2021[2021.8.31 he