【Linux】进程初阶(1)——基本进程理解

前言

1.1进程基本理解

1.2进程描述

1.3查看进程

1.4通过系统调用的基本进程操作

1.4.1通过系统调用获取pid

1.4.2通过系统调用创建进程

前言

操作系统对计算机软件与硬件进行管理的方式是先描述再组织，而PCB就是那个"描述"，那到底什么是PCB？PCB又在描述什么呢？更多Linux学习内容看准Linux专栏

1.1进程基本理解

在操作系统中，我们运行的一个个软件本质上都是程序。例如我们在windows上打开浏览器时，本质是运行一个.exe的可执行文件。当程序在计算机上动态运行时，操作系统为了方便管理程序的运行，会用一个叫进程控制块(Process Control Block)的数据结构存储管理程序运行时所需要的属性信息，再用链表将PCB存储起来，进而对进程进行管理，以此做到"先描述，再组织"。因此可以认为进程就是PCB数据结构+程序本身的代码和数据。

这里需要注意的是单一的程序不能被称为进程，当程序未被执行时本质还是普通文件中的一个数据。只有当程序被执行，加载到计算机内存中，操作系统能通过PCB对执行程序进行控制时，才能被称为进程。

1.2进程描述

对进程进行描述也就是记录进程信息是进程控制块(PCB)，PCB数据结构中存储的信息就是进程的属性信息。在不同操作系统中对应的PCB数据结构会有不同，而在Linux中PCB数据结构对应的是task_struct结构体。

task_struct结构体本质是PCB的一种，是Linux内核中的一种数据结构，它会被加载到内存中并且包含Linux操作系统中进程的信息。

task_struct基本内容简介

• 标示符(Process Identifier):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
• 具体详细信息后续会介绍

进程标示符与进程状态在后文会详细展开，下面简单介绍后面内容。

优先级：进程在运行时需要操作系统对其分配硬件资源(内存，CPU等)，进程优先级就代表了分配资源的优先级。优先级主要涉及后续进程调度部分。

程序计数器：程序计数器本质是一个寄存器，用来指示程序下一步应该执行哪里。简单举例来说，若一个程序有500行，程序计数器记录程序已经执行到哪一行，进而计算机通过程序计数器来判断下一步程序应该执行哪一行。后面主要与进程切换有关。

内存指针：储存程序运行时的地址，方便操作系统对程序进行管理。

记账信息：类似于表示进程已经调度的时间。

后续更深入的内容会在各部分单独讲解。

1.3查看进程

在查看进程之前，我们需要获取到我们想要查看的那个进程的标识符(pid)，pid作为描述进程的唯一标识符，用来区分其他进程。在获取到pid之后，我们可以查看在/proc文件夹下对应pid进程的进程信息。例如我们要查看pid为1的进程信息：

ls /porc/1

当然我们也可以查看/proc文件夹下所有的进程信息(所有正在运行的程序)

ls /proc/

1.4通过系统调用的基本进程操作

1.4.1通过系统调用获取pid

系统调用简而言之就是操作系统内置的库函数，最基本的，我们可以通过系统调用来获取进程的pid。Linux获取pid的库函数是getpid，可以通过man手册来查看其api。

man getpid

可以看到getpid的返回类型为pid_t，不需要参数。这时通过自己编写程序来验证getpid是否真的能获取到pid：

1#include<stdio.h>
2#include<sys/types.h>
3#include<unistd.h>
4
5int main()
6{
7    while(1)
8    {
9        pid_t pid = getpid();
10        printf("this is a process and pid is : %d\n", pid);
11        pid_t ppid = getppid();
12        printf("this is a process and ppid is : %d\n", ppid);
13        sleep(1);
14        //fflush(stdout);
15    }
16
17    return 0;
18}

这里通过死循环让程序一直保持运行状态，即进程运行状态，随后打印该进程的pid。来看看运行结果

可以看到该程序进程的pid是21718，随后再看看程序运行过程中用proc了查看该进程信息

可以看到这时是可以查看到的，那如果停止程序运行呢?

可以看到程序停止运行之后该pid进程就没有了，说明getpid获取的就是当前程序的pid。

而当我们用man手册了查询pid时，可以看到还有一个叫getppid的函数。ppid同样也是task_strcut结构体中储存的信息之一，ppid代表父进程的pid，也就是当前程序父进程的标识符。

pid与ppid的用法类似：

1#include<stdio.h>
2#include<sys/types.h>
3#include<unistd.h>
4
5int main()
6{
7    while(1)
8    {
9        pid_t pid = getpid();
10        printf("this is a process and pid is : %d\n", pid);
11        pid_t ppid = getppid();
12        printf("this is a process and ppid is : %d\n", ppid);
13        sleep(1);
14        //fflush(stdout);
15    }
16
17    return 0;
18}

1.4.2通过系统调用创建进程

此时可以看到该进程的父进程pid就是26918，那到底什么是父进程呢？

我们先来看看pid为26918的进程是什么：利用ps -p <PID> -o comm命令可以查看该pid进程在系统中的命名

ps -p 26918 -o comm

可以看到pid为26918的进程在系统中叫作bash，bash在Linux系统中就是我们看见的命令行提示器，就是Linux系统的shell外壳。也就是说我们自己程序创建的进程的父进程就是bash，当我们在bash中运行程序编译好的可执行文件时，同时也创建了新的进程，我们自己程序的进程就成为了bash的子进程。

所以当一个进程在运行过程中创建了一个新的进程时，这个新进程就是原进程的子进程，原进程就是新进程的父进程。那在Linux中如何创建进程呢？

创建进程属于系统层面的操作，因此需要系统调用。在Linux中创建子进程的系统调用函数为fork：

先不管其他的，我们先来创建一个子进程看一看：

1#include<stdio.h>
2#include<sys/types.h>
3#include<unistd.h>
4
5int main()
6{
7    pid_t pid1 = getpid();
8    printf("原pid为%d\n", pid1);
9
10    fork();
11
12    pid_t pid2 = getpid();
13    pid_t ppid = getppid();
14
15    while(1)
16    {
17        printf("这个进程的pid为:%d，ppid为:%d\n", pid2, ppid);
18        sleep(2);
19    }
20
21    return 0;
22}

运行结果：

可以看到这里就是创建子进程成功了，再进一步了解fork:

这里for返回的是pid_t类型，但如果创建子进程成功父进程就是返回子进程的pid，而子进程则返回0；若失败则返回-1。先来验证下正确性：

1#include<stdio.h>
2#include<sys/types.h>
3#include<unistd.h>
4
5int main()
6{
7    pid_t pid1 = getpid();
8    printf("原pid为%d\n", pid1);
9
10    pid_t id = fork();
11
12    while(1)
13    {
14        if(id == -1)
15        {
16            perror("fork faild!");
17            break;
18        }
19        else
20        {
21            if(id == 0)
22            {
23                printf("这是子进程，pid:%d\n", getpid());
24            }
25            else
26            {
27                printf("这是父进程，pid:%d\n", getpid());
28            }
29        }
30
31        sleep(1);
32    }
33
34    return 0;
35}

运行结果：

可以看到确实是这样的，那么这样fork就衍生出三个问题：

fork三问题

1.为什么给子进程返回的是0，给父进程返回的是子进程的id？

2.为什么fork作为一个函数能返回两个值？

3.为什么id仅仅一个变量，能接收两个值？

对于问题1：在更为复杂的系统工程项目中，有时需要创建多个子进程，为了方便对个子进程进行管理，因此父进程需要得到创建的子进程的id；而每个子进程只会有一个父亲，因此只需要一个0。

对于问题2：函数在进行返回时，基本功能已经完成。对应fork函数，在return之前子进程已经创建，因此return实际返回的不是两个值，而是在两个进程中个返回的一个值。

对于问题3：主要涉及虚拟内存部分的写时拷贝，更深入内容在后续讲解。

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