代码收藏家 深入理解Linux中的进程概念及原理
一、进程的基本概念
本文开始，我们就正式地来讲讲 Linux 中的【进程】
首先读者要知道的是，什么是进程
对于课本中的观点大家可能会觉得难以理解，为何正在执行的程序就是一个进程呢。我们可以在Windows下按[Ctrl + Alt + Delete]打开任务管理器查看一下
可以看到左上角的这个【进程】标志，代表呢我们下面所运行的程序都是一个进程
👉 这也就表明了在一个操作系统中不仅只能运行一个进程，还可以运行多个进程
但是呢，进程不仅仅可以像上面这样去理解。我们来思考一个问题：程序是文件吗？
二、理解进程
在了解了进程的基本概念后，我们来更加进一步地认识一下进程到底是个什么东西
1、描述进程 – PCB
首先读者要清楚我们人是怎么辨别一个事物的：没错，就是通过其各种属性！
以下就是这个task_struct的所有结构信息
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[休学例子，要加图CPU，寄存器]。 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
struct PCB{
进程的编号
进程的状态
进程的优先级
...
相关的指针信息
};
既然知道了如何去描述一个PCB结构体，我们就要来知道操作系统对一个进程总共会做哪些事情
- 为该进程创建对应的PCB对象
- 将该进程的代码和数据加载到内存中
但是呢光这么说读者可能还不是很明白，这里举一个例子说明一下
最后我们可以总结一点：
👉 【进程】 = 内核PCB数据结构对象（描述你这个进程所有的属性值） + 你自己的代码和数据（在磁盘当中所形成的可执行程序）
2、组织进程
上面谈到了操作系系统如何利用PCB去描述一个相关的进程，接下去我们来说说如何去组织进程
struct PCB{
进程的编号
进程的状态
进程的优先级
...
相关的指针信息
struct PCB* next;
};
这样可能还是抽象了一点，我们再举个形象点的案例
我在一开始的时候就讲到过，在内存中不仅仅是跑着一个进程，而是有可能会存在多个进程。那对于这多个进程要如何去起到关联呢？
C/C++、Java，可以帮助我们去很好地描述一个抽象的事物；我们学习数据结构与算法，可以帮助我们更好地去组织相同的对象数据task_struct的方式，采用【双向链表】组织的
💬 那有了上面的这个理论，操作系统在对于进程的管理就转换成了对于链表的增删查改
3、查看进程
明白了操作系统如何去描述并组织进程，接下去我们就切身地来看一看进程长什么样吧
下面呢是我们要进行测试的代码：
1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3
4 int main(void)
5 {
6 while(1)
7 {
8 printf("我是一个进程了...\n");
9 sleep(1);
10 }
11 return 0;
12 }
① 通过ps命令查看进程
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc
解析:
ps ajx—— 查看当前系统中所有进程head -1—— 获取第一行grep proc—— 过滤只带【proc】的进程
💬 那有同学可能会问：为什么在过滤进程的时候会有grep --color=auto proc这个东西呢？
grep在进行过滤的时候自己也要变成一个进程，也可以看到他们使用grep命令的时候也带【proc】关键字的，所以在过滤的时候把自己也过滤出来了。这也侧面证明了所有指令在运行的时候都是进程
-v grep把其过滤掉即可ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep
② 通过top命令查看进程
top
③ 通过ls命令查看进程目录
ls /proc/PID -l
PID值去进行对应的查找。这个PID呢就是我们在上面在介绍task_struct这个Linux下的PCB结构体的时候所讲到的【标识符】这个东西，它是 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程
cwd目录，另一个则是exe
首先我们来看到的是这个【exe】，很明显它是一个可执行文件，那就是我们在当前目录下的myprocess这个可执行文件
接下去的话就是这个【cwd】了，其意思为current work directory当前进程的工作目录
还记得我们在上面说到所有指令在运行的时候都是进程
log.txt的文件，但是我们有指明在哪里创建吗？并没有🙅touch log.txt
再说一点，还记得我们在 C语言文件操作 中有讲到过我们以写的方式去打开一个不存在文件的时候，其就会在当前路径下创建一个同名的文件
myproc.c这个源文件中加入以下这句代码fopen("log.txt", "w");
log.txt的文件，即当这个进程被调用的时候，便会自动在其当前工作目录创建中这个文件
👉 所以，当我们在执行一个进程的时候，其会默认把这个 cwd 粘贴到这个进程前面，即cwd / myproc
这里再补充一点，既然可以查看进程的话，那是否可以杀掉进程呢？
Ctrl + C
PID向这个进程发送【9】号信号（信号的内容会在之后的Linux进程信号介绍）kill -9 22146
Killed
4、通过系统调用获取进程标示符
上面我们有讲到了这个
PID进程标示符，是通过ps这个命令来查看的，那我们能否直接获取这个PID呢
ps ajx查看到了当前进程所对应的 PID，但是呢这相当于是遍历操作，如果我没有加grep proc的话出来的进程数就会很多了
getpid()怎么使用，那还是使用到我们的老朋友manman getpid
下面我给出一段命令，它可以实时监控当前系统的进程
while :;do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep; echo "------------------------------------------------------------"; sleep 1; done;
PID，首先运行上面的这段指令，我们看到了当前系统中并不存在有关proc的进程，但是呢在我们把myprocess这个可执行程序运行起来的时候，右侧就突然就多出了一条进程的相关信息PID值就发现确实是当前运行起来的这个进程
PID值发生了变化
💬 其实的话，这个现象是很正常的，每次重新启动进程其 PID 值是会出现不同的情况
PID值的原因刚才我们在通过【man】手册查看
getpid()这个函数的时候，还看到了getppid()这个函数，它是获取当前进程的父进程的 PID
PPID呢就在PID的左边
printf("I am a process, my id is: %d, parent is: %d\n", getpid(), getppid());
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 29576
bash，它可以执行我们所输入的命令
原因解析：
① 每次在登录XShell的时候，系统会为我们单独再创建一个Bash进程，即命令行解释的进程，帮我们在显示器中打印出对话框终端
[pjl@VM-4-12-centos lesson10]$ -- 父进程【PPID】
② 我们在命令行中输入的所有指令都是Bash进程的子进程，Bash进程只负责命令行的解释，具体执行出问题的时候只会影响它的子进程
ls /proc/12864 -- 子进程【PID】
上面这样解释可能还是比较抽象，一样来举个例子
三、创建进程
刚才我们在Linux下启动一个进程的时候利用的是
./可执行程序，那是否有其他办法去启动一个进程呢？
1、fork初识
fork()这个函数。在使用之前呢我们要先去查看一下这个函数该如何使用man fork
pid_t
然后我们来测试一段代码：
printf("before: only one line\n");
fork();
printf("after: only one line\n");
sleep(1);
after: only one line，但是在【fork】之后却打印了两句
💬 那有的同学就会感到非常地好奇，这是为什么呢？
man手册，然后看到
PID，给子进程返回0
那接下去我们就根据这个返回值去举个例子看看
下面是测试的代码：
1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <sys/types.h>
4
5 int main(void)
6 {
7 printf("begin: 我是一个进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
8
9 pid_t id = fork();
10 if(id == 0){
11 // 子进程
12 while(1)
13 {
14 printf("我是一个子进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
15 sleep(1);
16 }
17 }
18 else if(id > 1){
19 // 父进程
20 while(1)
21 {
22 printf("我是一个父进程, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
23 sleep(1);
24 }
25 }
26 else{
27 printf("error, fork创建子进程失败\n");
28 }
29 return 0;
30 }
if...else...分支可以同时进去，并且还有两个死循环在同时跑。这是为什么呢？
2、疑难解答
读者一定会对上面种种现象感到非常地疑惑，在本小节我将会为你解答这些疑惑
PPID为【18152】的 bash 上执行了一个进程，那么操作系统就会为这个进程分配一个PID为【27013】fork函数时，执行流被一分为二，变成了两个执行分支：一个是父进程（它自己），另一个则是子进程（新的分支）
💬 所以现在我们可以得出创建进程的两种方式：
./运行我们的程序– – 指令层面fork()– – 代码层面
接下去我们就通过一些具体的问题来更加深入地了解一下
fork()与进程之间的关系？
一、为什么fork()要给子进程返回0，给父进程返回子进程pid？
fork()函数的时候，会将执行流一分为二，父子进程通过不同的 id 返回值来区分，以此执行不同的代码块。那其实很好理解了：因为父子进程是两个不同的进程，所以需要根据这个不同的返回值来进程区别
💬 那有同学说：你这不说了跟没说一样嘛，要区分的话当然得不同了，那为什么父进程得到的是子进程的PID，但是子进程却是0呢，为什么不可以倒过来？
PID是由于他要靠不同的PID值来区分不同的孩子；但子进程的返回值都是0的原因在于他一定只对应着某一个父进程，只需让父进程知道它被成功创建出来了即可
二、fork()函数究竟在干什么？干了什么？
fork()函数后，子进程被创建出来，那么它的PCB结构体即 task_struct 会被构建出来，我们知道的是在每个进程的结构体中有PID和PPID这两个成员，而且对于子进程中的PPID恰好就是父进程中的PID 。所以子进程大部分的属性就是以父进程为模版创建的，相当于把父进程拷贝了一份，对部分属性做了修改
可以看出子进程被创建出来后系统中多了一个进程，那么对于父进程来说它有自己的内核数据结构、代码和数据，子进程也按照父进程的PCB模拟了一块出来
💬 那我现在要问了：请问子进程的数据和代码呢？也是拷贝出来的吗？
那对于这个代码而言我们就要有更多的思考了🤔
fork()之后会有什么现象。可以看到同一句代码被重复执行了两次
💬 那我此时还想问的是：既然跑的都是通一段代码，那还要子进程干嘛呢？直接父进程去跑个两遍不就好了
三、一个函数是如何做到返回两次的？如何理解？
上面讲到了因为在某些情况下需要依靠父子进程去执行不同的两段逻辑，所以在创建子进程后父子进程它们分别会得到不同的两个值
fork()函数后，就肯定需要去返回两次才可以。这里我们再通过画图来分析一下，既然这个fork()是库函数的话，那执行到这一句的时候就一定会跳转到库中的这一逻辑中去执行【创建子进程】的这一步步的步骤，但是这还是无法说明他可是有不同的返回值呀？return语句算是代码吗？ 当然了！那我们在上面说到过这个代码呢是父子进程共享的，那么父进程返回一次，子进程返回一次，也就相当于返回了两次2️⃣
四、一个变量怎么会有不同的内容呢？
👉 这里要提出一点：在任何平台，进程在运行的时候是具有独立性的，不会影响另一个进程
但是呢此时我们的子进程和父进程所维护的数据是同一块，这就免不了出现【并发修改】的问题
那么我现在又要提出疑问了，子进程每次在创建之后都会去拷贝一份这个数据，会存在问题吗？
如果对上面这个不太理解的话可以看看 string类中的写时拷贝 ，这两块知识点是联动的🌊
那看完了上面的这些内容后，我们再来谈谈刚才所说到的
fork()函数的返回值问题
id中，但是呢对于子进程来说就不一样了，这里会发生一个写时拷贝。那也就导致了父子进程最后所获取到的值不一样的原因
【总结一下】：
fork()之后，子进程就被创建出来了，父子进程就共享后续的代码了，但是呢父和子会由各自执行return从而造成两次返回，在【id】层面上发生写时拷贝，让父子进程的【id】变成不同的值。使得可以在后续对不同的【id】值进行变换，从而形成一个分流，让父子去执行不同的代码块，所以父进程和子进程就可以去执行不同的逻辑了。 —— 这就叫做fork四、总结与提炼
最后来总结一下本文所学习的内容📖
task_struct。由此我们知道了 进程 = 内核PCB数据结构对象 + 你自己的代码和数据；知道如何去描述进程后，我们还要学习如何去组织进程，在Linux中我们采取的【双向链表】进行组织的ps、top和ls；当然，在查看进程的时候主要关注的是PID和PPID这两个属性值，分别代表的是 当前进程的标识符 和 当前进程的父进程标识符；当然，这两个标识符不仅仅是可以通过指令来查看，而且还可以通过操作系统提供给我们的【库函数】来查看，查看 man手册 可以发现这两个函数为getpid()和getppid()./运行我们的程序外，我们还可以从【代码层面】的fork()来创建进程，后者可以帮我们去创建出一个子进程，从四个问题来步步分析fork()的底层，我们可以知道在 fork 之后的代码会被父子进程所共享，而且它们所获取到返回值会因为子进程的 写时拷贝 而不同，所以父子进程才得以执行不同的代码逻辑以上就是本文所要介绍的内容，感谢您的阅读🌹
