【Linux】—— 进程的基本概念、PCB、fork

news2024/12/24 21:45:50

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基本概念

课本概念： 进程的一个执行实例，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。

当你的代码进行编译链接之后便会生成一个可执行程序，这个可执行程序本质上是一个文件（例如：main.cpp），是放在磁盘上的。当我们运行这个可执行程序时，本质上是将这个程序加载到内存后，CPU才能对其进行逐行的语句执行，当这个程序加载到内存后，我们就不应该将它叫做程序了，而应该称其为进程。

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描述进程-PCB

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，Linux操作系统下的PCB是：task_struck

我们可以使用 ps aux 来显示系统中存在的进程：
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开机的时候启动的第一个程序就是我们的操作系统（操作系统是第一个加载到内存的），操作系统主要是做管理工作的，其中包括对进程的管理。

操作系统如何对进程进行管理呢？
首先双手奉上六字口诀：先描述，再组织。当一个进程出现时，操作系统会对其进行描述，之后对该进程的管理就转化为对其描述信息的管理。
进程信息被放在一个叫做进程控制块（PCB）的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。

struct PCB
{
	//状态相关的代码（一般是一个整形变量，不同的数字表示不同的状态）
	//优先级相关的代码
	//内存指针字段
	//... 包含进程几乎所有的属性字段
	struct PCB* next;
}

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小结：

当磁盘内的可执行程序加载到内存时，内存会生成对应的PCB对其代码和数据进行管理。未来，所有对进程的控制和操作，都只和进程有关，和进程的可执行程序没有关系！
对进程的管理转化为对PCB对象的管理，而PCB对象是以链表形式连接起来的，又转化为对链表的增删查改。
因此，不难得出进程的组成：
进程 = 内核PCB对象 + 可执行程序
或者：
进程 = 内核数据结构 + 可执行程序

task_stuct - PCB的一种

进程控制块（PCB）是描述进程的，在C++中我们称之为面向对象，在C语言中我们称之为结构体，而Linux是用C语言写的，那么Linux中的进程控制块必定是用结构体来实现的。

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，它会被装载到RAM（内存）里并且包含着进程的信息。

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（pc指针/eip）： 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。
I/O状态信息： 包括显示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，使用的时钟总和，时间限制，记账号等。
其他信息。

补充：pc指针

pc指针指向哪一个进程的代码，就表示哪一个进程被调度运行！
判断、循环、函数跳转的本质：修改pc指针。

组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以 task_struct 链表形式存在内核里。

查看进程

通过系统目录查看

在根目录下有一个名为proc的系统文件夹
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文件夹当中包含大量进程信息，其中有些子目录的目录名位数字。

这些数字其实是某一些进程的PID，对应文件夹当中记录着对应进程的各种信息。我们若想查看PID为1的进程的进程信息，则直接查看该文件夹即可。
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通过ps命令查看

单独使用ps命令，会显示所有进程信息。
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ps命令与grep命令搭配使用，即可只显示某一进程的信息。

通过系统调用获取进程的PID和PPID

通过使用系统调用函数，getpid 和 getppid 即可分别获取进程的 PID 和 PPID。
示例：
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当运行该代码生成的可执行程序后，便可循环打印该进程的PID和PPID。

我们可以通过ps命令查看该进程的信息，即可发现通过ps命令得到的进程的PID和PPID与使用系统调用函数getpid和getppid所获取的值相同。

通过系统调用创建进程 - fork初始

fork函数创建子进程

fork是一个系统调用级别的函数，其功能就是创建一个子进程。
例如：
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若是代码当中没用fork函数，我们都知道代码的运行结果就是循环打印该进程的PID和PPID。而加入了fork函数后，代码运行结果如下：

运行结果是循环打印两行数据，第一行数据是该进程的PID和PPID，第二行数据是代码中fork函数创建的子进程的PID和PPID。我们可以发现fork函数创建的进程的PPID就是proc进程的PID，也就是说proc进程与fork函数创建的进程之间是父子关系。

每出现一个进程，操作系统就会为其创建PCB，fork函数创建的进程也不例外。
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我们知道加载到内存当中的代码和数据是属于父进程的，那么fork函数创建的子进程的代码和数据又从何而来呢？

运行结果：

实际上，使用fork函数创建子进程，在fork函数被调用之前的代码被父进程执行，而fork函数之后的代码，则默认情况下父子进程都可以执行。需要注意的是，父子进程虽然代码共享，但是父子进程的数据各自开辟空间（采用写时拷贝）。