【Linux】进程概念

前言

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冯诺依曼体系结构

• 输入设备：键盘、鼠标、话筒、磁盘、声卡...
• 输出设备：显示器、声卡、磁盘 ....
• 中央处理器(CPU)：运算器和控制器
• 存储器：内存

存储器可以预先把输入设备的数据放入到存储器中，预先加入的数据可以预先进行计算，计算好的数据也可以先放到存储器中，等到输出设备需要时，再输出。这样就提高了效率。如果没有存储器，输入设备直接到cpu再到输出设备的话，由于输入、输出设备的速度很慢，效率就很低，尽管cpu的速度很快（木桶效应）。

结论：

1. cpu不和外设直接打交道，cpu只和内存打交道。
2. 外设(输入和输出)的数据，不是直接给cpu的，而是要先放入内存中。

操作系统

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。 操作系统是进行软硬件资源管理的软件。 广义的认识：操作系统=内核+外壳周边程序 狭义的认识：只是操作系统的内核。

设计OS的目的

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

结构示意图（不完整）

每一种硬件都有对应的驱动层，驱动层是一套软件。驱动层向操作系统提供通信接口，使OS能通过驱动程序访问硬件，对其进行管理。有了驱动层，就不怕更换硬件时，由于硬件的厂商不同，导致OS无法管理了。

理解"管理"

举例： 学校里面有校长、辅导员、学生。校长是管理者，学生是被管理者。校长不会直接与学生接触，校长管理学生只需要拿到学生的数据即可。校长关心的是学习相关的和基本信息，不关注你喜欢吃什么。校长关心的是学生，而不是某个人。学校人多，管理起来难，通过列表格的形式，管理学生的数据。这就相当于c语言里的结构体类型。为了让这些信息都连接起来，就需要通过链表或者其他高效的数据结构链接。当需要找数学成绩最好的学生时，通过查找数学成绩，找到某个结构体对象，就可以知道这个学生的全部基本信息。

任何管理都是：先描述，再组织。 比如：C++和STL，C++的封装就是先描述，STL就是组织。

总结： 计算机管理硬件：

1. 描述起来，用struct结构体
2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

用户不能直接访问硬件，硬件由OS管理着。而用户又不能直接访问OS，因为OS里面有重要的数据，所以OS就必须提供一个系统调用接口，用户通过系统调用方式使用操作系统。 打个比方：在银行，客户通过柜台窗口进行存取钱服务，而不是到了银行直接进去银行的系统自行修改数据。

系统调用和库函数概念

• 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

打个比方：来银行办事的人可能是大爷，大爷不知道流程，就会有老人通道进行辅助。这个通道就相当于库，入门的程序员就可以通过库来进行系统调用。 不同的操作系统的系统调用可能会不同，但有了库，即使底层的代码不同，都可以通过相同的函数名调用，比如C语言和C++的标准库，都可以用printf打印。

进程

可执行程序没被运行前，是存在磁盘中的。运行后，程序的二进制代码和数据就会加载到内存中。由于进程可以同时有很多个，就有哪些进程的优先级高等问题，所以在内存中的代码和数据不是进程。OS需要管理很多进程，所以就会有结构体PCB进行管理。每一个进程都有一个PCB。进程=PCB+自己的代码和数据。

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
• 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

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

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，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

举例：每个人的简历到了hr的手上，每个人是一个实体，而简历就相当于 task_struct 。OS看的是task_struct，而不会直接看代码和数据。 进程=内核task_struct 结构体+程序的代码和数据。

调度运行进程，本质就是让进程控制块task_struct进行排队。

进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

如果想查找某个进程的状态，可以使用grep。

可这样就看不到开头第一行的说明了。所以还可以使用&&进行连接，表示同时执行该指令。

&&左右两边执行完再进行合并。

还可以通过 /proc 系统文件夹查看：

我们运行程序后，通过/proc系统文件夹查看，存在该pid命名的文件夹，里面存的就是文件的属性信息。

exe是可执行程序，也就是说我们刚刚的进程是在这个路径下的process加载形成的。

如果我们把这个可执行程序干掉了，如下图

我们发现程序还在运行，如下图：

原因：因为程序已经运行了，我们删掉的是磁盘的可执行程序。而内存中的还在。

上方中的cwd，指的是进程的当前工作路径。 每个进程在启动的时候，会记录自己当前在哪个路径下启动。 我们把进程跑起来后，它会在当前的工作路径下生成log.txt文件。

如果我们想改变进程的工作路径，需要使用chdir

我们将进程跑起来，

发现工作路径确实被更改了。

创建的log.txt文件也在该路径中。

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: 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

通过系统调用获取进程标示符

PID就是进程的唯一标识符。系统有提供接口来给我们查看。我们通过man getpid 指令查看

使用getpid()时需要包<unistd.h> 和 <sys/types.h> 两个头文件。pid_t 就是无符号整形。 getppid()就是获取当前进程的父进程的id。

上图中，左右两边PID对应得上。

由上图可知，进程每次启动，对应的pid都不一样，这是正常的。但是为什么父进程的ppid都是一样的？

可以看到，bash就是父进程。还记得之前讲过的，shell是媒婆，bash是王婆。bash会创建很多个子进程。

终止进程

ctrl+c是在用户层面上终止进程。 kill -9 pid 可以用来直接杀掉进程。

通过系统调用创建进程-fork初识

通过man fork 指令来认识fork。fork的作用就是创建一个子进程。 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）

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess|grep -v grep;sleep 1;done 通过上方指令，我们可以不停打出进程的状态。 运行后如下图：

按照代码的逻辑，后面多出了一个子进程。fork之后，父子代码共享。所以打印了两次hello world。

fork返回值

fork会放回两个值，如果创建成功就会返回子进程的pid给父进程，并且返回0给子进程。如果创建失败，就会返回-1。

fork 之后通常要用 if 进行分流 ，如下图：

fork有两个返回值，其实是在fork函数内部创建子进程的时候，子进程已经创建完成了，才到return ，这时候就就是父子进程各自return了。 父子进程具有独立性，互不影响。

创建多个子进程

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。