《Linux从练气到飞升》No.12 Linux进程概念

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文章目录

- 前言
- 进程基本概念
- 描述进程-PCB
- - task_struct-PCB的一种
  - task_ struct内容分类
- 组织进程
- 查看进程
- 通过系统调用获取进程标示符
- 通过系统调用创建进程-fork初识
- - 1. 父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）。
  - 2. 父进程先运行还是子进程先运行？
  - 3. 创建子进程时OS要做什么？
- 后记

前言

本篇我们将正式进入Linux的世界，首先先要讲的就是进程，进程是什么？怎么描述？如何组织、查看？如何创建？本篇都将详细讲解~

进程基本概念

课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等

实际上，我们启动一个软件的本质上就是启动了一个进程，在Linux系统中运行 ./a.out 时，其实就是在系统的层面上创建了一个进程，如下：

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>    
int main() {   
    while(1)   
    {   
        printf("hello world!\n");   
        sleep(1);   
    }   
    return 0;   
}

在这里插入图片描述

内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

从内核观点看的话，就是如下图这样，后面再讲概念。
在这里插入图片描述

按照之前操作系统篇讲过的先描述再组织，所以可以预言系统中会存在一个管理对应进程的结构体，因为不同的进程的属性不同，不可能直接管理进程，只能通过一个结构体来管理它，这个结构体的内容应该包括该进程的各个属性，我们之后叫它PCB（process control block），当然不同的系统中的叫法可能不同，但是理念是一样的。

区分程序和进程：

程序的本质是一个静态文件，存储在磁盘中
进程是对应的代码+数据+进程对应的PCB结构体

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（process control block），Linux操作系统下的PCB是: task_struct
在这里插入图片描述

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（双向链表），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

1. 进程标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。

进程PID是在当前操作系统中唯一标识一个进程的标识符。

ps aux命令可以查看当前操作系统中所有的进程信息
在这里插入图片描述

1. 进程状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。
  进程状态：
  三种状态：
  运行态：正在拿着CPU资源进行运算的进程所持有的状态
  就绪态：一切的准备资源都准备就绪了，等待操作系统分配CPU资源
  阻塞态：等待某种资源到来之后才能进行运算
  细分状态：
  R：运行状态
  S：可中断睡眠状态：意味着进程在等待事件完成
  
  D：不可中断睡眠状态：有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程
  通常会等待IO的结束。
  
  T：暂停状态：可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发
  送 SIGCONT 信号让进程继续运行。
  
  t：跟踪状态，当进程被gdb调试时会产生t
  X：死亡状态：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态
  Z：僵尸状态：一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程没有读取到子进程退出的返回代码时就
  会产生僵死(尸)进程
1. 进程优先级: 相对于其他进程的优先级。
1. 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。
1. 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
1. 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据。
1. 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。
1. 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、cpu使用率、内存使用率、CPU使用时长。
1. 其他信息

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链表的形式存在内核里。

查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看
在这里插入图片描述

如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    while(1)
    {  
        printf("hello world!\n");
        sleep(1);
    }  
    return 0; 
}

ps aux | grep mycode | grep -v grep

在这里插入图片描述

通过系统调用获取进程标示符

进程id（PID）
父进程id（PPID）
返回0为子进程，返回大于0（子进程PID）为父进程，返回小于0，创建失败

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
	printf("pid: %d\n", getpid());
	printf("ppid: %d\n", getppid());
	return 0;
}

在这里插入图片描述

通过系统调用创建进程-fork初识

1. 父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）。

代码是逻辑，一般不可被修改，数据，即可读又可写。
进程是有独立性的，父子进程fork完毕后，谁先运行是不确定的，这个有调度器决定。

测试代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("begin fork...\n");
    fork();
    printf("end fork...\n");
    return 0; 
}

结果：出现两个end fork…
在这里插入图片描述
测试代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    
    printf("create process failed\n");
    pid_t pid=fork();
    if(pid<0)
    {
        printf("create process failed\n");
    }
    else if(pid == 0)
    { 
        printf("create child success\n");
    }
    else
    { 
        printf("create parent success\n");
    }
    printf("end fork...\n");
    return 0;
}

结果：
在这里插入图片描述

pid进入两个分支说明了有两个pid值，也就说明fork有两个返回值，

为什么会有两个返回值？

因为fork内部，父子各自会执行自己的return语句
返回两次，并不意味着缓存两次。（以后讲）

return后核心代码都执行完了吗？

完成了

fork函数是怎么新建进程的？

操作系统和CPU运行某个进程，本质就是从task_struct链表中挑一个task_struct来执行它的代码，只要想到进程就要优先想到对应的task_struct，而进程调度就变成了在task_struct链表中选择一个进程的过程，fork函数就是再创建一个进程和task_struct，并将这个task_struct添加到task_struct队列中。
在这里插入图片描述

为什么给子进程返回0，父进程返回子进程的pid？（感性分析一下，并不完全正确）

子进程只有一个父进程，而父进程可以有多个子进程，fork之后，给父进程返回子进程的pid可以方便父进程对子进程进行管理，而父进程对子进程是唯一的，子进程只需要知道自己是否创建成功，成功创建后的父进程是谁即可。

既然子进程有父进程，那最终的父进程是谁？

是bash，bash是所有进程的父进程，验证如下：子进程的ppid是父进程的pid，而父进程的ppid是bash，所以bash是所有进程的父进程。
代码：

#include<stdio.h>
        #include<unistd.h>
        int main()
        {  
            int ret=fork();
            if(ret<0)
            {  
                printf("fork error!\n");
            }  
            else if(ret==0)
            {  
                printf("i am child:%d ret=%d\n",getpid(),ret);
            }  
            else
            {  
                printf("i am parent:%d ret=%d\n",getppid(),ret);
            }  
            return 0; 
        }