Linux系统之----进程的概念

1.进程

1.1基本概念

课本概念 ：进程是程序的一个执行实例，是正在执行的程序。当程序被执行时，系统会为其创建一个进程，包含程序代码、数据以及运行时所需的资源。

内核观点 ：进程是担当分配系统资源（CPU 时间、内存）的实体。操作系统内核通过进程来管理和调度系统资源，确保每个进程都能合理地使用 CPU、内存等硬件资源。

1.2 描述进程-PCB 

1.2.1 基本概念

进程控制块（PCB） ：进程的信息被存放在一个名为进程控制块的数据结构中，它是进程属性的集合，就好比一个档案袋，里面装着进程的各种信息，比如进程的状态、优先级、内存分配情况等。

Linux 中的 PCB（task_struct） ：在 Linux 操作系统下，PCB 是通过 task_struct 这个结构体来实现的。

1.2.2 task_struct 相关内容

task_struct 的定义：task_struct 是 Linux 内核中定义的一个复杂的数据结构，包含在内核源代码的 include/linux/sched.h 文件中。它是内核用来表示和管理进程的核心数据结构，包含进程的各种信息，如进程标识符、状态、内存管理信息、I/O 信息、调度参数等。

task_struct 的作用 ：用于在 Linux 中描述进程的结构体，它承载着进程相关的各类信息，是内核管理和调度进程的关键依据。

存储位置 ：task_struct 是 Linux 内核的一种数据结构，会被装载到 RAM（内存）里，这样内核可以快速地访问和修改进程的信息，以实现对进程的有效管理，比如进程的创建、切换、销毁等操作都依赖于对 task_struct 的操作。

 1.2.3 内容分类

1）标示符

作用 ：用于唯一标识一个进程，区分系统中的不同进程。

具体信息 ：通常包括进程 ID（PID）、父进程 ID（PPID）等信息。

2）状态

作用 ：反映进程当前的执行状态，以及进程退出时的相关信息。

具体信息 ：包括进程是处于运行态、就绪态、等待态等，还有进程的退出代码（用于表示进程正常结束或异常终止的原因）、退出信号（用于通知其他进程该进程已结束）等。

3）优先级

作用 ：决定进程调度的优先顺序，优先级高的进程更容易获得 CPU 资源进行执行。

具体信息 ：包括动态优先级和静态优先级，不同的进程调度算法会根据优先级来安排进程的执行顺序。

4）程序计数器

作用 ：指示处理器当前正在执行的指令位置，控制程序的执行流程。

具体信息 ：指向进程在程序中即将被执行的下一条指令的内存地址，当进程被调度执行时，处理器根据程序计数器的值来获取并执行相应的指令。

5）内存指针

作用 ：描述进程在内存中的布局和内存资源的使用情况，以及与其他进程共享内存的区域

具体信息 ：包括指向进程的程序代码段、数据段、堆、栈等内存区域的指针。还有指向与其他进程共享的内存块的指针，用于实现进程间通信（IPC）和共享资源等功能。

6）上下文数据

作用 ：保存进程执行时处理器的寄存器状态，用于在进程切换时恢复进程的执行环境。

具体信息 ：包括处理器的各种寄存器（如通用寄存器、控制寄存器、状态寄存器等）的值，当进程被中断或切换时，系统会保存当前的上下文数据，以便在该进程再次被调度执行时能够恢复到之前的状态继续执行。

7）I/O 状态信息

作用 ：记录进程的 I/O 操作相关信息，方便系统进行 I/O 管理和调度。

具体信息 ：包括进程已发出的 I/O 请求、分配给进程的 I/O 设备（如磁盘、网络设备等）以及进程打开和使用的文件列表等。

8）记账信息

作用 ：用于记录进程的资源使用情况，可用于系统资源管理和计费等目的。

具体信息 ：包括进程使用的处理器时间总和（如用户态和内核态的 CPU 时间）、使用的时钟数总和、时间限制（如超时时间）、记账号等。

9）其他信息

作用 ：包含一些其他与进程相关的信息，这些信息可能因不同的内核版本或特定的系统配置而有所不同。

具体信息 ：例如进程的创建时间、所属的用户和组、安全上下文信息（在支持安全模块的系统中）等。

1.3 进程的查看

1.3.1   PID与PPID

1) PID（Process ID）

1. 定义

   • PID 是操作系统分配给每个进程的唯一标识符，用于区分系统中的不同进程，是进程存在的标志。

2. 作用

   • 唯一标识进程 ：在 Linux 系统中，每个进程都有一个唯一的 PID，通过 PID 可以准确地识别和操作特定的进程。

   • 进程管理 ：系统和用户可以根据 PID 对进程进行管理，如发送信号、终止进程、获取进程信息等。

   • 资源分配 ：操作系统利用 PID 来管理进程的资源分配，如内存、CPU 时间等。

3. 范围

   • 在 Linux 系统中，PID 是一个正整数。传统的 PID 范围是 1 到 32768，但具体范围可能因系统配置而有所不同。可以通过查看 /proc/sys/kernel/pid_max 文件来确定系统中 PID 的最大值。

2) PPID（Parent Process ID）

1. 定义

   • PPID 是创建该进程的父进程的 ID。每个进程（除了 init 进程）都有一个父进程，PPID 用于标识这个父进程。

2. 作用

   • 父子进程关系 ：PPID 建立了进程之间的父子关系，有助于理解进程的层次结构和来源。例如，通过查看 PPID 可以知道某个进程是由哪个父进程启动的。

   • 进程管理 ：在进程管理中，父进程可以利用 PPID 来管理和控制其子进程，如等待子进程结束、获取子进程状态等。

   • 孤儿进程处理 ：当父进程终止时，其子进程将成为孤儿进程。系统会将孤儿进程的 PPID 改为 1，由 init 进程（PID 为 1）收养这些孤儿进程，确保它们能够正常结束 

3） 创建子进程的方式

在 Linux 系统中，父进程通过 fork() 系统调用创建子进程。

fork() 的功能是创建一个与父进程几乎完全相同的子进程。子进程会复制父进程的地址空间、环境变量、打开的文件等。

1.3. 2 查看进程的可执行文件

1）使用 /proc 文件系统：

/proc 文件系统提供了关于进程的信息，每个进程在 /proc 中有一个以 PID 命名的目录。可以使用 ls -l /proc/<PID>/exe 查看进程对应的可执行文件的链接。 

2）示例：

假设有一个名为 myprocess 的进程，其 PID 为 1234，可以使用以下命令查看其可执行文件：

ls -l /proc/1234/exe

输出可能如下：

lrwxrwxrwx 1 root root 0 Mar 31 20:03 /proc/1234/exe -> /home/user/bin/myprocess

这表明进程 1234 的可执行文件位于 /home/user/bin/myprocess。

1.3.3 查看进程及父进程

使用 getpid 和 getppid 函数

• 功能：

• getpid 函数返回当前进程的 ID（PID）。

• getppid 函数返回当前进程的父进程 ID（PPID）。

 函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);

 应用：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = getpid();    // 获取当前进程的 PIDpid_t ppid = getppid();  // 获取当前进程的 PPIDprintf("Current process ID: %d\n", pid);printf("Parent process ID: %d\n", ppid);return 0;
}

 最后附上老师板书：

1.3.4 fork

 1) 基本概念

fork 的作用是创建一个新进程，这个新进程称为子进程，而调用 fork 的进程称为父进程。子进程是父进程的副本，它继承了父进程的几乎所有资源和状态。

2)工作原理

复制父进程资源

当 fork 被调用时，操作系统会创建一个新进程，并将父进程的代码段、数据段、堆、栈等资源复制到子进程中。子进程在创建时几乎与父进程完全相同，包括代码、变量、文件描述符、环境变量等。但是，子进程有自己独立的进程标识符（PID），并且它与父进程是两个独立的进程实体

写时拷贝

现代操作系统通常采用“写时复制”技术来优化 fork 的性能。在 fork 调用时，操作系统并不会立即复制父进程的所有资源，而是将父进程的资源标记为“共享”。只有当父进程或子进程对这些资源进行写操作时，操作系统才会真正复制被修改的部分资源，从而避免了不必要的复制操作，节省了时间和内存。

3) 返回值

fork 的返回值用于区分父进程和子进程

在父进程中

fork 返回子进程的进程标识符（PID），这是一个正整数。父进程可以通过这个 PID 来监控子进程的状态，例如使用 wait 或 waitpid 等系统调用等待子进程结束。

在子进程中

fork 返回 0。子进程可以通过返回值为 0 来判断自己是子进程，并执行相应的逻辑。

出错时

如果 fork 调用失败（例如系统资源不足或超出进程限制），它会返回 -1，并设置错误码 errno。

 4)代码示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() 
{pid_t pid = fork(); // 调用 fork 创建子进程if (pid < 0) {// fork 失败perror("fork failed");return 1;}else if (pid == 0) {// 子进程printf("I am the child process, my PID is %d\n", getpid());} else {// 父进程printf("I am the parent process, my PID is %d, my child's PID is %d\n", getpid(), pid);            wait(NULL); // 等待子进程结束}return 0;
}

假设父进程的 PID 是 1234，子进程的 PID 是 1235，程序的输出可能是：

 也许此时会有人疑惑，为什么if和else都进去了？？难道是程序出错了吗？还是说我们碰到了编程领域的量子力学了？？实际上，这里是多线程编程，可以同时都进的。

 5）代码详解

fork 调用后，程序会分为两部分继续执行：一部分在父进程中运行，另一部分在子进程中运行。因此，if 和 else 语句分别对应父进程和子进程的逻辑。

当程序执行到 pid_t pid = fork(); 时，操作系统会创建一个子进程。在调用 fork 之前，父进程和子进程是同一个进程，共享相同的代码和数据。调用 fork 之后，程序会分为两部分继续执行：父进程和子进程。

在父进程中，fork 返回子进程的进程标识符（PID），这是一个正整数。因此，pid > 0，程序会进入 else 分支。

在子进程中，fork 返回 0。因此，pid == 0，程序会进入 else if 分支。

实际上，if 和 else 并不是同时进入的，而是分别在父进程和子进程中执行不同的分支。

父进程 执行 else 分支。子进程 执行 else if 分支。

从程序的整体运行角度来看，if 和 else 的逻辑分别在两个不同的进程中执行，因此看起来像是“都进去了”，但实际上它们是在不同的上下文中运行的。

有一点值得注意的是：当我们创建出子进程后，父子两个进程，谁先运行不确定，具体由OS的调度原则来确定。