Linux操作系统~什么是进程，进程的内部结构是什么？fork如何创建子进程？

目录

 1.进程的概念

2.先描述进程，再组织进程

1）.进程VS程序

2）.进程内部结构

3.PCB（task_struct）内部构成

4.fork()创建进程

 首先我们来看一个现象

1）.理解fork创建子进程

2）.fork的返回值

Q：fork返回值为什么能有两个，分别给父进程和子进程

利用fork返回值的不同，让父子进程执行不同的内容

 1.进程的概念

1.程序的一个执行实例，正在执行的程序等

2.担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

进程(Process)是系统进行资源分配和调度的基本单位

2.先描述进程，再组织进程

        管理进程我们要先描述，再组织，所以任何进程在形成的时候，操作系统要为该进程创建PCB，进程控制块都是一个个结构体的形式，里面存放进程的属性。

1. 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。
2. 操作系统总的称呼为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是: task_struct

1）.进程VS程序

进程是程序的一个执行实例，担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

曾经我们所有的启动程序的过程，本质都是在系统上面创建进程

1.程序本质上都是文件（可执行程序/二进制文件），首先我们的可执行程序文件必须被加载到内存中，才能执行这个程序。

2.我们要为进程创建一个PCB，也就是一个task_struct，这个task_struct加上刚刚加载进来的文件，总称为进程（进程 = 程序文件内容+相关的数据结构（比如PCB，task_struct就是一个数据结构））

3.task_struct包含了进程内部的所有的属性信息，这些信息也是数据

2）.进程内部结构

进程 = 进程代码数据文件+操作系统维护的相关数据结构（比如task_struct就是一种数据结构）

        一个进程里面有进程代码数据文件+PCB，PCB用双向链表的方式链接起来（组织进程），操作系统以后找进程的时候直接找PCB就行，而不是去找进程的代码和数据。（PCB里面存放了进程的信息）

3.PCB（task_struct）内部构成

• 标示符（PID）: 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。（对比权限，权限是决定能不能；优先级是决定先后）
• 程序计数器: 程序中正在执行指令的下一条指令的地址。
• 内存指针（可以通过这个指针找到进程的代码和数据）: 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。（用于调度模块中：调度模块可以让每个进程更为公平的获取CPU资源。）
• 其他信息

4.fork()创建进程

1. fork有两个返回值
2. 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）

 首先我们来看一个现象

#include    
#include    
    
using namespace std;    
int main() {    
    fork();    
    cout << "now: " << getpid()  <<  "   father: " << getppid() << endl;                                                                                                                    
    
    return 0;    
}    

结果： 

        可以看到cout输出执行了两次，上面的父进程的PID是22281，PPID是22413；下面子进程PID是29282,PPID是父进程的PID29282。

父进程的父进程是bash，对应的父进程的PPID

所以实际上是bash创建父进程，父进程调用fork创建子进程。        

1）.理解fork创建子进程

1.不管是命令行上执行命令运行程序来创建进程还是通过fork调用创建进程，对操作系统来说都是多了一个进程，两者没有差别

2.fork本质是创建进程，系统中会多一个进程，因此理论上说与进程相关的内核数据结构（PCB-task_struct）+进程的代码和数据会在系统里面多一份

3.我们只是fork创建了子进程，有自己的task_struct，在默认情况下，子进程和父进程共用一份代码（代码是不可被修改的，数据可能会被修改，所以代码只存储一份），数据也是共享的，但是需要考虑数据被修改的情况（一旦有一个人想要写入数据，就不是共享的了，进行写时拷贝）。

4.其task_struct也会以父进程为模板初始化子进程的task_struct。

5.进程是具有独立性的，就算父进程挂了（修改数据），也不会影响子进程（不影响子进程的数据）；子进程挂了也不会影响父进程，因此数据通过写时拷贝来保证进程数据的独立性（如果都是只读，那就用同一个数据；如果有一个进程要写入数据，就拷贝一份，然后写入数据）

写时拷贝：

在数据第一次写入到某个存储位置时，首先将原有内容拷贝出来，写到另一位置处，然后再将数据写入到存储设备中，该技术只拷贝在拷贝初始化开始之后修改过的数据。

2）.fork的返回值

1.我们创建子进程的时候，fork以后，如果直接跟上代码，那么子进程和父进程相当于重复做了同一件事情。我们创建子进程的目的应该是要和父进程执行不一样的任务的。

2.对于子进程和父进程，fork的返回值是不相同的。如果fork成功了，对于父进程就会返回子进程的PID，对于子进程就会返回0。如果fork失败，返回0

因此我们可以使用if else来进行分流，让父进程和子进程做不一样的事情。

如果返回值 <0，表示创建子进程失败

如果返回值 = 0，表示是子进程

如果返回值 > 0，表示是父进程，此时返回值是子进程的pid

Q：fork返回值为什么能有两个，分别给父进程和子进程

        调用fork才会创建子进程，那fork前面的代码还有吗？为什么父子进程会有两个不同的id？fork执行了两次吗？

A：代码只保留一份，父进程和子进程拿到的都是整个完整的代码，他们的task_struct中有程序计数器，存放的下一条指令的地址

为什么会有两个返回值，而且不相同，具体原因如下：

Q：如果一个函数都开始return了，这个函数的核心功能执行完了吗？

A：肯定是执行完了，所以在fork中，return返回之前，子进程已经创建好了，此时父子进程都会向下执行，都会return，所以也就有两个返回值了（fork那条语句，子进程也会执行一部分，就是最后返回的那部分，所以会有两个返回值）

  pid_t fork() {    
      //创建子进程的逻辑    
          
      return XXX;                                                                                                                                                                           
  }  

Q：这个返回值是数据吗？return的时候，会写入吗

A：是数据，会写入，这里发生了写时拷贝，所以会有两个不同的返回值。

写时拷贝：

        在数据第一次写入到某个存储位置时，首先将原有内容拷贝出来，写到另一位置处，然后再将数据写入到存储设备中，该技术只拷贝在拷贝初始化开始之后修改过的数据。

利用fork返回值的不同，让父子进程执行不同的内容

#include  
#include  
  
using namespace std;  
int main()                                                                                                                                                                                  
{            
    pid_t id = fork();                                                    
    if(id == 0){        
        //child   
        while(true){  
            cout << " I am child, running!" << endl;  
            sleep(2);                                 
        }               
    }             
    else{        
        //parent      
        cout << "father do nothing!\n" << endl;       
        sleep(10);                               
        exit(1);    
    }             
    return 0;  
}