【Linux系统】初识OS的进程管理：查看与创建进程

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一、冯·诺依曼体系结构

大多数的计算机，如笔记本，手机，服务器，大多遵循着冯·诺依曼体系结构：

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众所周知，计算机其实都是由一个个的硬件组成的：

• 输入设备：包括键盘、鼠标、扫描仪等
• 输出设备：显示器、打印机等
• 存储器：主要指的是内存
• 中央处理器：就是CPU，含有运算器和控制器等

从这个体系结构图中我们能看出：在数据层面上，CPU不会和外设（输入输出设备）进行交互，CPU只会和内存打交道。外设要输入或输出数据，只能写入内存中或从内从中读取。数据可以提前加载到内存中，所以计算机处理数据可以认为主要就是CPU和内存之间的交互。 总结就是，所有设备只能直接和内存打交道，所以计算机的效率主要取决于内存。而它们之间的数据流动过程，本质都是拷贝，也就是计算机的效率由拷贝效率决定！

二、操作系统的基础概念

任何一个计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）。广义上理解，它包含操作系统内核、其他程序（函数库、shell程序等）

操作系统的内核是它的核心，内核有四大功能：内存管理、文件管理、驱动管理、进程管理。

在整个计算机软硬件架构中，操作系统是一款软件，专门用于软硬件资源管理！

想象这样一个场景：用户到银行取钱，用户是上层软件，金库是计算机硬件。如果让上层软件直接操控底层硬件，就像让用户直接去金库拿钱，管理起来就十分麻烦！所以就需要有操作系统进行中间管理——操作系统就像银行柜员，用户与柜员沟通存取钱，柜员再负责向金库中存取钱。这样一来从整个银行行长角度看，管理软硬件资源就很方便了。

在程序员开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，暴露部分接口给上层开发使用，这部分操作系统提供的接口，称为系统调用。

三、初识进程

1. 进程的概念与描述

1.1 基本概念

进程是操作系统学科中一个很重要的知识，操作系统的进程管理、内存管理、文件管理、设备管理等核心功能，都围绕进程展开。

一般的教科书上可能讲进程的概念是：程序的一个执行实例、正在执行的程序、是程序的一次执行过程，等。或者从内核层面来看，进程是担当分配系统资源（CPU时间、内存等）的实体，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位等，没有错。

我认为更精辟的总结是：进程 = 内核数据结构对象 + 程序的代码和数据

这个概念需要我们在后面的学习中慢慢体会。

1.2 描述进程的数据结构PCB

Linux系统的内核主要是由C语言写的。

一个进程的信息，被存放在一个叫做进程控制块的数据结构中，是进程属性的集合。在操作系统学科中，这个数据结构统称为PCB（process control block）。具体在Linux系统中，它是一个C语言结构体，名字是task_struct！ task_struct中有很多的信息，在接下来我们学习进程会不断了解的。

2. 查看进程

在Windows系统下双击启动应用、手机上启动app、Linux中执行命令和程序，本质都是启动了进程！我们也有相应的方法去查看进程。

命令ps axj，查看系统中所有进程的部分信息：

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当前系统中还有很多隐藏的进程，为了方便查看到我们想要的进程，可以搭配head和grep命令使用。

为了方便演示，我写一个这样的程序test.exe：

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这个程序可以一直运行，除非ctrl c中断。

我把它运行起来，然后新开一个终端页面，执行：

ps axj | head -1 && ps axj | grep test.exe 

(head -1是为了保留第一行列名，grep是为了查询有test.exe文本的进程)

结果是：

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可以看到，查询结果有两行，第二行是上面ps命令的进程（因为说过执行命令也是启动了进程）不用在意。重点是第一行，这就是我们正在一直运行的test.exe程序的进程信息！

2.1 pid和ppid

有一列名是PID，是进程id，用来描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程。 一个进程可以获取到自己的pid，OS提供了一个系统调用getpid，返回当前进程的pid

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使用它需要包含头文件#include<sys/types.h>和#include<unistd.h>，返回类型pid_t其实就是一个整型。

可以证明一下，在test.exe中加一句printf("%d\n", getpid());

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还有一列为PPID，是父进程id！ Linux中，新的进程往往是通过其他进程创建的，这就是父进程。ppid就是一个进程的父进程id。 刚才说过，执行命令也是创建了进程，那么这个进程的父进程是谁呢？在上图中第二行是执行的命令，它的ppid是8059，那么我们就可以查看一下谁的pid是8059，ps axj | head -1 && ps axj | grep 8059：

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😮进程id是8059的是一个叫-bash的东西！ -bash，是Linux系统的命令行解释器，是所有命令行执行命令的进程的父进程！也就是说，我们执行Linux的命令，本质都是-bash创建了子进程！

也有一个叫做getppid()的系统调用，可以获取到当前进程的ppid，用法和getpid一样，不再赘述。

3. fork创建子进程

刚才说，一个进程是由父进程创建的。我们自己写的程序启动后也是一个进程，按理说也能创建子进程。Linux就有这样一个系统调用fork！

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fork函数的返回值很有意思：

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调用fork后，会创建一个子进程。在父进程中，fork的返回值是子进程的pid；在子进程中，fork的返回值是0！如果子进程创建失败则在父进程中返回-1 默认条件下，fork后父子进程是共享代码和数据的！

举个栗子：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
int main()
{
    // 创建子进程
    pid_t id = fork();
    while(1)
    {
	    if(id == -1)
	    {
	         //子进程创建失败，一般不会失败
	         return 1;
	    }
	    else if(id == 0)                                                                                          
	    {
	         //子进程中执行
	         printf("子进程,pid：%d\n", getpid());
	    }
	    else
	    {
	          //父进程中执行
	          printf("父进程,pid：%d\n", getpid());
	    }
	 
	    sleep(1);
	}
    return 0;
}

执行后：

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为什么fork的返回值是这样规定的呢？这是因为一个子进程只会有一个父进程，而一个父进程可以创建出多个子进程，为了标识特定的子进程父进程需要得到子进程的pid。