Linux进程学习【基本认知】

北海

发布于 2023-07-01 11:42:35

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📘前言

进程 是计算机中的重要概念，每个运行中的程序都有属于自己的 进程 信息，操作系统可以根据这些信息来进行任务管理，比如在我们Windows中的任务管理器中，可以看到各种运行中的任务信息，这些任务就可以称之为 进程，简单的 进程 二字后面包含着许多知识，比如为什么OS需要对任务进行管理、任务信息是如何组成的、如何创建新任务等，下面我将带大家从 冯诺依曼 结构体系开始，理解学习 进程 相关知识

📘正文

📖冯诺依曼体系

我们今天所有的计算机都离不开 冯诺依曼 体系，这位伟大的计算机科学家早在二十世纪四十年代就提出了这种结构，即计算机应由五部分组成：输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备

各组成部分举例：

输入设备：键盘、鼠标、声卡、网卡、摄像头 等
输出设备：显示屏、喇叭、网卡、打印机 等
存储器：只读存储器、随机存取存储器
运算器+控制器：CPU中央处理器

注意： 输入、输出设备 称为外围设备，即 外设，而 外设 一般都会比较慢，比如磁盘；CPU中央处理 的速度是最快的，通过与 存储器 的配合，可以做到高效率处理数据；如果没有 存储器 的存在，那么计算机的整体效率就取决于 外设，正是因为 存储器 的存在，可以对数据进行预加载，CPU 计算时，直接向 存储器 要数据就行了，效率很高。

冯诺依曼和奥本海默在第一台计算机前的合影

冯诺依曼 体系的高明之处在于可以大大提高计算机的运算效率，得益于 存储器 这个关键部件

结论：

在数据层面，一般 CPU 不和 外设 直接沟通，而是直接和 内存(存储器) 打交道 程序必须先加载到 内存 中，这是由硬件体系决定的
外设 只会和 内存 打交道

📖系统管理

有了计算机体系后，就需要 操作系统(OS) 对计算机进行管理，就像一个庞大的学校中会有各种教职工，当然计算器是否好用是很大程度上取决于 操作系统 是否给力

回归正文，先说结论：操作系统 是一款进行软硬件资源管理的软件

我们普通用户无法直接与计算机中的硬件打交道，也就是说，在没有 操作系统 的情况下，我们几乎是无法使用计算机的，于是一些计算机大牛就创造出了各种好用的 操作系统

举些栗子：

最经典的 Unix 操作系统
我们学习的 Linux 操作系统
市面上流通最广的 Windows 操作系统
高效精致的 Mac 操作系统，基于 Unix
生态丰富的 Android 操作系统，基于 Linux
还有很多操作系统，这里就不一一列举，或许下一个操作系统就由你创造

操作系统 管理的本质： 先描述，再组织

描述：通过 struct 结构体对各种数据进行描述
组织：通过 链表 等高效的数据结构对数据进行组织管理

比如在 Linux 中是通过 链表 这种数据结构来进行数据组织的

大体逻辑：操作系统 -> 硬件驱动 -> 硬件

具体的逻辑如下图所示：

我们开发者位于 用户 这一层，开发各种功能，提供给上一层的 用户群体 使用

操作系统的目的：

操作系统 是一个极其庞大的系统，操作系统 通过对下管理好软硬件资源的手段，对上给用户提供良好（安全、稳定、高效、功能丰富等）的执行环境，这是 操作系统 的目的

注意：

操作系统 给我们提供非常良好的服务，并不代表 操作系统 会相信我们，反而，操作系统 不相信任何人
举例理解：就好比银行给我们提供良好的服务，但所有服务都是基于一个小小的柜台窗口，因为银行在为我们提供服务时要确保自身的安全，因此银行的服务是基于 窗口 进行的
在 操作系统 中也有类似的 窗口，不过它被称为 系统调用，也就是 系统接口

📖进程理解

有了 操作系统 相关知识的铺垫后，就可以正式开始介绍 进程 了

我们可以将 操作系统 的职能分为四大板块

内存管理
进程管理
文件管理
驱动管理

本文探讨的 进程 相关知识属于 进程管理 板块

进程：

我们以前的任何启动并运行程序的行为，都是由 操作系统 帮助我们将程序转换为 进程，然后完成特定任务
一般课本定义：进程 是程序的一个执行实例，是正在执行的程序（这种说法不全面）
正确定义：进程 由两边组成，分别是 相关代码和数据 和 内核关于进程的相关数据结构

也就是说，一个 进程 应该有两部分，数据 与 信息，此处的 信息(进程控制块) 是由 操作系统 对代码和数据进行描述后生成的 信息块 ，原因很简单，方便进行管理，而这就是管理本质的体现：先描述，再组织

我们对 进程 的相关学习是建立在 进程控制块 上的，上面包含了其对应 进程 的各种信息，下面就来学习一下 数据 与 信息 这两部分知识吧

📃代码与数据

数据生万物，任何一个进程都有自己的代码和数据，比如我们常见的 C语言 源文件，经过编译后生成的可执行程序中，就包含着二进制代码和其创建修改的时间、所处位置信息

当可执行程序 myprocess 运行时，各种数据就会被描述，生成相应的进程控制块

📃进程控制块

进程控制块即PCB(process control block)，Linux 中的 PCB 是 task_struct，程序会被描述生成相应的task_struct 装载至 内存 中

进程控制块包含内容：

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
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

注： ./可执行程序 其实就是将可执行程序加载至内存中，再执行描述+组织

📖查看进程

我们可以通过指令来查看正在运行中的进程信息

📃ps 指令

$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 进程名 | grep -v grep

功能： 查看进程信息，其中利用管道进行了信息筛选，使得进程信息更加清晰

注意： 我们可以通过函数来主动查看进程的 PID

//函数：获取当前进程PID值
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

pid_t getpid(void);

将程序简单编写下，就可以验证进程块中的进程信息了

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>  //Linux中睡眠函数的头文件
#include<sys/types.h>

int main()
{
  int sec = 0;
  while(1)
  {
    printf("这是一个进程，已经运行了%d秒 当前进程的PID为:%zu\n", sec, getpid());
    sleep(1); //单位是秒，睡眠一秒
    sec++;
  }
  return 0;
}

注： 当程序重新运行后，会生成新的 PID

因为查看进程的指令太长了，所以我们可以结合前面学的自动化构建工具 make ，编写一个 Makefile 文件，文件内容如下所示：

myprocess:process.c
        gcc -o myprocess process.c

.PHONY:clean
clean:
        rm -r myprocess

.PHONY:catP
catP:
        ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myprocess | grep -v grep

其中的 make catP 指令就是我们刚刚查看 进程 的那一大串指令

📃top 指令

$ top

这个指令之前有介绍过，相当于Windows中的 ctrl+alt+del 调出任务管理器一样，top 指令能直接调起 Linux 中的任务管理器，显然，任务管理器中包含有进程相关信息

📃/proc 目录

$ /proc/

注意：通过热键 tab 查看目录内容

除了上面两种指令查看进程信息外，我们还可以直接去 /proc 这个目录下查看所有进程信息

此时可以看出 PID 存在的重要性

📃父子进程

进程间存在 父子关系

比如在当前 bash 分支下运行程序，那么程序的 父进程 就是当前 bash 分支

其中，PID 是当前进程的ID，PPID 就是当前进程所属 父进程 的ID 我们一样可以通过函数来查看 父进程 的ID值

//函数：获取当前进程PPID值
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

pid_t getppid(void);	//用法跟上面的函数完全一样

同样对代码进行小修改，执行指令查看进程信息，可以得到如下结果：

感兴趣的同学可以去看看 bash 进程的目录中有什么内容

📃小结

简单总结一下：

我们可以通过 ps、top、/proc 查看进程信息
可以利用函数查看当前进程的 PID 或 PPID 值
如果指令很长，可以利用 Makefile 文件
进程间存在父子关系，默认进程的父进程为 bash

注：

进程可以创建也可以销毁，通过指令 kill -9 PID 可以销毁指定进程，包括 bash，当然这个指令需要在新的窗口中执行
也可以通过热键 ctrl+c 强制终止当前进程的运行

📖fork 创建子进程

/*
* 创建子进程
* 这个函数有两个返回值
* 进程创建成功时，给父进程返回子进程的PID，给子进程返回0
* 创建失败时，返回 -1
*/
int fork(void)

fork 函数是一个非常重要的函数，它能在当前进程下主动创建 子进程 ，用于程序中 编写代码如下：

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

/*
 * 测试fork创建子进程
 * 理解fork函数的返回值
 * 通过if语句进行分流
 * 总结：fork创建子进程成功时，给父进程返回子进程PID，给子进程返回0，
 如果失败返回-1；通过两次fork可以发现当父进程执行后，才会去执行子进程，
 父子进程间存在独立性，即父进程被kill后，子进程任然可以运行,父子进程间存在写时拷贝机制，
 当子进程的值发生改变时，只会作用于子进程中
 */

int main()
{
  pid_t ret = fork(); //获取返回值
  int val = 1;  //比较值
  if(ret == 0)
  {
    //在子进程内再创建(孙)子进程
    pid_t rett = fork();
    if(rett > 0)
    {
      while(1)
      {
        val = 2;  //写时拷贝
        printf("二代进程正在执行 PID:%d PPID:%d 比较值为:%d 地址:%p\n\n", getpid(), getppid(), val, &val);
        sleep(1);
      }
    }
    else if(rett == 0)
    {
      while(1)
      {
        val = 3;  //写时拷贝
        printf("三代进程正在执行 PID:%d PPID:%d 比较值为:%d 地址:%p\n\n", getpid(), getppid(), val, &val);
        sleep(1);
      }
    }
    else
      printf("进程创建失败\n");
  }
  else if(ret > 0)
  {
      while(1)
      {
        val = 1;  //写时拷贝
        printf("一代进程正在执行 PID:%d PPID:%d 比较值为:%d 地址:%p\n\n", getpid(), getppid(), val, &val);
        sleep(1);
      }
  }
  else
    printf("进程创建失败\n");

  return 0;
}

程序运行结果如下：

不难发现，子进程 是否出现取决于在当前进程中是否调用 fork 函数

fork函数工作原理：

fork 创建子进程时，会新建一个属于 子进程 的 PCB ，然后把 父进程 PCB 的大部分数据拷贝过来使用，两者共享一份代码和数据

各进程间是相互独立的，包括父子进程这句话的含义是当我们销毁 父进程 后，它所创建的 子进程 并不会跟着被销毁，而是被 init 1号进程接管，成为一个 孤儿进程 具体表现如下：

fork 创建子进程时还存在 写时拷贝 这种现象，即存在一个全局变量，当父进程的改变值时，不会影响子进程的值，同理子进程也不会影响父进程，再次印证 相互独立 这个现象

父子进程相互独立的原因：

代码是只读的，两者互不影响
数据：当其中一个执行流尝试修改数据时，OS 会给当前进程触发 写时拷贝 机制

以上只是对 fork 函数的一个简单介绍，关于这个函数底层是如何实现的，是一件较复杂的事，限于篇幅原因，我会在以后对此函数进行补充

简单做个小结 进程小结：

bash 命令行解释器本质上也是一个进程，可以被销毁
命令行启动的所有程序，最终都会变成进程，而该进程对应的父进程都是 bash
父进程被销毁后，子进程会变成 孤儿进程
进程间具有独立性，包括父子进程
因为 写时拷贝 机制，父进程不会影响到子进程

📘总结

以上就是本文关于 进程 相关知识的讲解了，我们从 冯诺依曼 体系切入，理解了为什么需要 操作系统 ，以及 操作系统 是如何对计算机进行合理管理的：先描述，再组织；之后引入 进程 概念，清楚 进程 的构成及如何通过多种方式查看 进程 信息，最后学习了 fork 创建子进程，见识了 进程间具有独立性 这个重要概念。进程 的相关知识还有很多，当然这些知识得在下一篇文章一起学习了如果你觉得本文写的还不错的话，期待留下一个小小的赞👍，你的支持是我分享的最大动力！