【Linux】第十二站：进程

一、windows和linux中的进程

一个已经加载到内存的程序，叫做进程

进程也叫做任务

比如在windows中，这个任务管理器就可以看到进程

而在linux中，我们使用

ps axj
1

就可以看到我们的进程了

二、先描述

我们先使用如下代码

如下所示，就可以查看到进程了

在这个过程中，我们的这个可执行程序就会从磁盘中加载到内存中，然后经过CPU，最终输出到显示器上。

这个加载到内存中的程序就是一个进程

像我们电脑的操作系统开机的时候也一样，开机的时候，就是操作系统加载到内存的时候。这也是进程

这些加载到内存，其实就是将这些二进制数据（代码和一些数据）从磁盘中搬到内存中

如下图所示，当一个程序要运行的时候，他需要先将这些二进制文件从磁盘中搬到操作系统中。

但是常识告诉我们，一个操作系统，不仅仅只能运行一个进程，可以同时运行多个进程

所以说，操作系统必须将这些进程给管理起来

那么应该如何管理进程呢？

当然还是先描述，在组织

所以任何一个进程，在加载到内存的时候，形成真正的进程时，操作系统要先创建描述进程属性的结构体对象----PCB（process ctrl block 进程控制块）

这就是类似于人是怎么样辨别认识一个事情或者对象的

当然是都是通过属性认识的。

当属性够多，这一堆属性的集合，就是目标对象

这个PCB就是进程属性的集合

而在C语言中，我们可以用struct结构体来描述这个集合。

这个结构体里面就有进程编号、进程的状态、优先级、相关的指针信息…等等信息

然后根据进程的PCB属性，就可以为该进程创建对应的PCB对象了

不过我们的操作系统除了创建一个PCB对象之外，还要去将代码和数据加载到内存中

就好比我们现在是一个学生，那么PCB就是我们的档案，代码和数据就是我们本人。只有当这两部分都在学校的时候，我们才是这个学校的学生。

所以描述进程的PCB的结构体和该进程的代码和数据合起来才称作进程

所以所谓的进程 = 内核PCB数据结构对象 + 你自己的代码和数据

内核PCB数据结构对象是描述你这个进程的的所有的属性值

所以操作系统要做管理的时候，不需要对我们自己做出管理，只需要对我们这个内核PCB数据结构对象做出管理即可

这个PCB对象里面是有相关的指针信息的，所以可以通过这个PCB对象直接找到我们的

上面这个过程就是一个进程的描述的过程，即先描述

三、在组织

可是我们操作系统经常要持续很多个进程的。所以这就需要组织起来了，从而达到对我们的进程做出管理

为了能够将这些数据组织起来，所以我们可以在每一个PCB对象中加上一个相应的指针，用来找到下一个PCB对象，即如同链表的结构

所以在操作系统中，对于进程的管理，就变成了对于这个单链表的增删查改了

这个PCB就好比我们每个人的简历一样，在我们找工作的时候，HR都是直接对我们的简历做出管理的。当我们投递简历以后，我们会看到在排队中，这个排队就指的是这个PCB在排队。而不是我们本人在排队

四、具体的Linux系统是如何做的？

1.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

2.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

3.task_struct和PCB的关系

• task_struct 是PCB具体的一种

• 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类型(自定义类型)，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息

4.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

5.linux具体如何做的？

在linux中PCB 就是task_struct 结构体，里面包含进程的所有属性

Linux中如何组织进程呢？，linux内核中，最基本的组织进程task_struct的方式，是采用双向链表的

不过要注意的是，有可能这个task_struct既是属于一个双链表，又是属于一个队列的。他是比较复杂的

6.查看进程

我们可以使用这个命令查看进程

top
1

同时我们在前面所演示这个命令也是一个查看进程的命令

这里这里的&&代表的十左侧的要执行成功，右侧的也要执行成功。即两条都要执行

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep  myprocess
1

除了使用&&,也可以使用；来隔开

ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep myprocess
1

如下所示，我们可以看到两个进程了

前面两个是这个可执行程序由于跑了两份，所以的两份进程。

下面的第三个进程是grep本身的进程，因为它本身也带有myprocess，所以就把它自己的进程过滤出来了。而之前的那些指令的进程早就已经结束了，所以不会显示出来。这里是因为正好grep执行的时候把他自己给过滤出来了

注意看

注意这个ID值，虽然这两个程序是一样的，但是他们的ID是不一样的，虽然将同一个程序执行了两遍，但是它还是两个进程，因为他们创建了两个不同的PCB

除了上面这种方法还有这样一种方法

ls /proc
1

这个是linux系统中比较重要的，也比较奇怪的一个目录

它在关机的时候数据就全没了，在开机的时候就又会创建这个目录文件

这个其实因为因为操作系统用文件系统的方式把内存当中的文件，包括进程全部可视化出来了

它这上面的数据都是内存级的

我们可以来证明一下

我们先关掉一个进程

当我们再次使用这个

ls /proc
1

这个指令的时候

对于这些蓝色的数字，我们知道它一定是目录，而对于黑色的我们先不管

而这些蓝色的数字就是当前进程的PID，所以在创建进程的时候，操作系统会创建一个与PID一样名字的文件夹，这个目录里面保存这个进程的大部分属性

我们可以通过这个找到我们这个进程的目录

然后我们可以查看一下这里面的内容

如果我们将我们这个进程之间结束掉，那么我们这里就用这种方法找不到这个进程了，这个目录就自动删除了

如果我们重启一个进程，那么就又出来了

不过这个PID也被改变了。

所以说每一个程序结束以后在重新启动，PID就会变化了，所以他是系统当中动态运行的相关信息。

我们可以进入到它里面就可以看到这个东西，这就足以证明这个就是我们的这个可执行程序的进程

对于这个cwd，就是我们当前进程的工作目录（current work dir）

对于这个cwd，这个是很有用的

比如说当我们使用touch命令创建一个test.c文件的时候，它是如何找到当前的目录呢？

就是进程启动的时候已经记录了当前的目录。所以才找到的

就好比我们之前的文件操作的时候，为什么文件可以创建在当前目录呢？

就是因为进程有这个cwd，记录了当前工作目录，所以可以直接拼接上去。这就是当前路径

7.kill进程

我们先写出如下代码

如下所示，当我们运行了这个代码以后，它就会有它对应的进程

并且其中我们发现最下面的这个proc其实是因为grep这条指令也要带上proc,所以也把他过滤出来了，可见指令在运行时也是要有进程的

那么我们也可以看到这个PID，有了这个PID有什么用呢？在前面我们用它可以找到一个对应的文件。那么还有什么作用呢？其实我们还可以直接杀掉这个进程

kill -9 13388	//13388是当前程序对应的PID
1

我们可以看到，进程确实被杀死了

8.进程的PID

我们知道对于我们的操作系统，它的内部一定是这样的

内部有task_struct结构体，然后指向对应的代码块和数据。而pid一定是在它的内部存储着的

而我们前面的ps命令其实就是在遍历这个链表。从而获取每个值的

如果我们想要获得某个进程的pid，由于我们无法直接拿去，所以我们只能通过系统调用来获取

getpid()
1

如下是man手册中的getpid

我们可以知道，它的作用是返回调用这个函数的进程的PID

然后我们可以去应用一下：

我们可以用这段指令来进行检测进程

while :; do ps ajx | head -1 ; ps ajx | grep  Proc | grep -v grep;echo "------------------------------------------------"; sleep 1; done
1

它一开始的效果是这样的

如下所示，我们就可以检测到进程了

我们也可以看到这个进程的PID,并且如果我们在中间终止掉了这个进程，然后再重启的时候，它的PID已经被改变了

相应的，除了PID以外，还有一个PPID,它的意思是父进程

同样的，我们可以去获取他的进程

如下是运行结果

如果我们将这个进程杀掉，然后，我们继续重启这个进程

我们会发现，父进程没有变化，我们自己的进程的ID变化了

那么我们可能会好奇这个13200里面到底是什么呢？

我们可以看到有很多的13200，但是我们先只关心一下PID为13200的这个

我们可以看到它后面跟的是bash,也就是命令行解释器

所以说，运行一个进程时，命令行解释器会把我们这条命令的进程变成bash的子进程，由子进程实行对应的命令，这样的话，当子进程执行命令的时候，一旦这个进程出问题了，就不会影响bash进程

但是如果我们直接将我们的这个Xshell断开链接了，然后重启，我们就会发现这个PPID也变了

但是如果我们只是普通的杀掉这个进程，然后再运行的时候，父进程不改变

然后我们可以像前面一样，调出这个父进程所对应的文件

我们可以看到，以前的13200也就不见了

所以说，我们每次重新登录的时候，系统会为我们重新创建一个bash进程

我们在命令行中输入的所有进程都是bash的子进程

bash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

这就是为什么当一个子进程中断的时候，父进程不变的原因

9.fork

我们前面一直在说进程，那么如果我们想创建一个进程，该如何做呢？

一个方法就是我们前面使用的直接./Proc，这样的话就是操作系统为我们创建进程了

如果我们想要自己创建一个进程，那么我们可以用fork函数

我们先用起来这个函数

当我们用如下代码，不包括fork的时候

毫无疑问，打印两行

当我们将这个fork加上以后

我们会发现打印出来了两次after

为什么呢？这个其实就是因为，fork之前只有一个执行流，forK之后就有两个执行流了。

不过我们还是先看一下fork函数

这是它的返回值，意思是如果成功，那么返回一个子进程的PID给父进程,返回一个0给子进程。如果失败，返回-1给父进程，不创建子进程，并适当地设置errno。

我们发现它好像有两个返回值？

我们先看一下这个代码

如下是我们的运行结果

我们发现这个运行结果很奇怪。出现了很诡异的现象。

这其实就是fork的作用，有了它就有两个进程了

我们可以关注一下一组pid和ppid的值

我们会发现，这两个刚好就是一组父子关系。

因为父进程的pid等于子进程的ppid

而前面这个29958是bash命令行的进程，从下图可以看到

我们也可以在前面的这个图看到，这个父进程其实就是我们原来的进程，而子进程就是这个父进程所创建的一个新的分支

所以这样的话，我们就也可以创建一个进程了

所以

./xxxx------------指令层面创建进程

fork()-------------代码层面创建进程

10.对fork的深刻理解

fork的英文意思是叉的意思，也就是代码一分为二

如下图所示，当我们使用fork以后，代码就变成了两个执行流，父进程的执行流执行id值大于0的部分，子进程的执行流执行等于0的部分

在这里我们就会有如下几个疑问

1. 为什么fork要给子进程返回0，给父进程返回子进程的pid
2. 一个函数是如何做到返回两次的？如何理解
3. 一个变量怎么会有不同的内容？如何理解
4. fork函数究竟在干什么？干了什么？

1. 为什么fork要给子进程返回0，给父进程返回子进程的pid？

   返回不同的返回值，是为了区分让不同的执行流，执行不同的代码块

   一般而言，fork之后的代码父子共享

   以上回答了为什么要不同的值，下面回答为什么父进程要返回子进程的pid

   这是因为，一个父亲可以有多个孩子，而一个孩子只有一个父亲

   所以未来父亲需要对孩子做出区分，所以返回一个pid就可以区分各个子进程

   而对于一个孩子，由于父亲是唯一的，所以返回0即可

   所以必须返回子进程的pid，用来标定子进程的唯一性

   子进程只需要调用getppid就能直接获取父进程的pid，所以它直接返回0标记成功即可

2. fork函数究竟在干什么？干了什么？（上）

   我们知道

   进程 = 内核数据结构（PCB） + 代码和数据

   如下是我们fork之前的样子，只有当前的一个进程，CPU去调用这个进程

   
   而创建子进程其实就是：系统里面多了一个进程

   即如下图所示，首先，会先照着原来的task_struct创建一个新的task_struct。不过这个新的tash_struct会将它的pid修改为一个新的pid，将它的ppid改为前面的pid

   

   现在子进程有了自己的内核数据结构，也就是PCB，那么它还没有它自己的代码和数据，它应该访问什么呢？

   而父进程是可以访问自己的代码和数据的。子进程没有，所以只能去访问父进程的代码

   

   所以说，他们的代码是共享的

   所以CPU在执行的时候，如果是父进程，跑的是它的代码，如果是子进程，跑的也依旧是这个代码

   即fork之后，父子进程代码共享，因为代码是不可以被修改的

   那么既然代码是共享的，那么之前的数据呢？我们先不考虑这个问题

   我们先来看一下这个，既然代码是共享的，那么我们为什么要创建进程呢？

   这是为了让父和子执行不同的事情，所以需要想办法让父和子执行不同的代码块，所以我们就需要让fork具有不同的返回值

3. 一个函数是如何做到返回两次的？如何理解？

   在上一个问题中，我们讨论到了代码块一定是共享的，为了让其可以执行不同的代码块，就需要具有不同的返回值。

   那么这个是如何做到的呢？

   我们要注意，fork本身也是一个函数，即它也有自己实现的代码

   当一个函数已经return的时候，它的核心工作已经做完了。这就意味着。在返回之前已经创建好了子进程了。

   而在return之前函数体内部一定会发生下面这些事情

   1. 创建子进程PCB
   2. 填充PCB对应的内容
   3. 让子进程和父进程指向同样的代码
   4. 父子进程都是有独立的task_struct，可以被CPU同时调用运行了
   5. …

   而创建好子进程后，由于父子进程代码共享，而return也是代码，所以return也是会被共享的

   所以父进程调度执行的时候，返回一次，子进程调度执行的时候，也返回一次

   所以这个fork函数最终返回了两次

   

4. fork函数究竟在干什么？干了什么？（续）

   前面说过，子进程创建好PCB以后，会共享同一块代码，那么数据呢？

   首先在任何平台，进程在运行的时候，是具有独立性的，也就说当我们的qq崩了以后，并不影响其他软件

   所以，父子进程既然是两个进程，那么他们就不能同时访问同样的空间。

   因为数据可能会被修改，所以不能让父进程和子进程共享同一份数据。

   而代码是不可被修改的，所以可以共享同一份代码，因为并不影响独立性。

   所以说，子进程要将这份数据单独拷贝一份

   

   可是有可能父进程创建出来的变量，子进程并不会去使用。这样使得子进程的利用率很低

   所以操作系统变决定不这样直接去拷贝，而是一开始先共享代码和数据，但是当子进程要对某个数据进行修改的时候，采取拷贝一份这个这个数据。

   

   所以只有当子进程要尝试修改某个数据的时候，才会去拷贝一份。这也叫做数据层面的写时拷贝

5. 一个变量怎么会有不同的内容？

   当我们理解了fork函数究竟在做了什么，我们也就随之理解了一个变量怎么会有不同的内容

   return就是写入的过程，id就是父进程的数据。

   所以对于子进程的id就是就会专门创建一个空间用来存储，要发生写时拷贝

   

   所以最终返回值是不同的

所以说，我们在看我们之前的代码，我们也就能理解这些现象了

5. 当父子进程被创建好，fork以后，谁先运行呢？

   其实谁先运行是不确定的，是由调度器来决定的

   也就是说，现在有很多个进程，CPU应该挑选哪一个进程来运行呢？这个是由调度器来决定的

   所谓调度器，就是一套执行数据结构查找的相关算法，它会在这些进程中找到一个合适的进程放到CPU中。

   像我们现在的计算机，调度器要尽可能保证公平，时间都比较均衡。

11.bash用fork创建子进程

我们还是看下面的运行结果，代码同上

我们现在已经差不多了解了这些PID和PPID这些信息了。

那么对于原来的那一个进程而言，它也是一个子进程为11129，它的父进程8464

而这个8464正好就是bash命令行解释器的进程。我们也知道这是为了保证该进程不会影响其他进程的

那么既然这里是通过创建子进程的方式完成的，那么bash如何创建子进程呢？

其实就是利用fork,让这个fork出来的子进程去执行解释新的命令。而它自己就继续接收用户的输入。