你真的了解Linux中的进程吗？（上）

giturtle
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本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

旧识铺垫

我们之前学过冯 · 诺依曼奠定了现代计算机的硬件体系，目前现代计算机的五大硬件单元：

  1. 运算器
  2. 控制器
  3. 存储器：内存等
  4. 输入设备：键盘等
  5. 输出设备：显示器等

所以这就引出了我们的一句概念：==硬件结构决定软件行为==。

比如运行某一程序，因为程序代码是保存在外部存储器中的，而使他运行操作系统就要从外存读入代码到内存中，再在内存中创建进程，给它分配运行必须的资源，然后插入就绪队列中。这就是一个硬件结构决定软件行为的典例。

读取速度由中央处理器CPU决定。 再细化为CPU的主频：时钟振荡周期，一秒钟可以处理多少个指令，值越大，系统吞吐量越大。

操作系统

那么操作系统是什么？

  • 其实质是一个软件。

  • 目的：让计算机更好用

  • 功能：统筹管理计算机上的软硬件资源

  • 如何管理：==先描述，再组织==。

操作系统要对硬件进行管理，首先要知道他们的描述信息。操作系统不亲自收集这些信息，而是驱动程序（中间执行者）来操作，操作系统通过驱动程序管理硬件信息。

lib：用户不能直接接触操作系统，为了把风险降到最低，操作系统提供了一套系统调用接口供外部用户使用，完成某些功能，但是这些接口不太好用。 SHELL：为了更加好用，所以就封装成了一些shell，用户通过命令就可以操作操作系统。还有lib，用户使用库函数调用。

库函数(lib)和系统调用接口的关系：上下级的调用关系，库函数就是对系统调用接口的一层封装。

操作系统：对下管理软硬件资源，对上提供良好的执行环境。

操作系统的定位就是：搞管理的软件。

进程概念

  • 进程：进行（运行）中的程序。
  • 程序：位于硬盘的一堆代码/指令集。

操作系统通过PCB来管理运行中的程序（进程）。

  • PCB：进程控制块（process control block） ，Linux中实质是一个结构体，名为task_struct。其中包含了很多描述信息：

    时间片：cpu在一个进程上运行的时间
进程标示符: 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。(存储即将处理的指令)
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。某些进程在CPU上运行了多长时间。。

磁盘中每一个程序执行时都会加载到内存中，就会产生此进程的PCB，其中包含的文件指针指向此时内存中的进程(及上下文数据等)，CPU通过PCB去调度进程。

【注】CPU的分时机制：轮询调度进程

所以进程是什么要从两个角度来看：

  • 用户角度：进程就是运行中的程序。
  • 操作系统角度：操作系统运行一个程序，需要去描述这个程序的运行过程，而这个描述是通过一个结构来描述task_struct，统称PCB,因此对OS来说进程就是PCB。

进程查看

  1. /proc 进程运行信息存放目录

  2. ps -elf/aux 查看系统上进程信息 (更加详细) （注：ps -aux与ps aux是不同的）

  3. 在程序中使用接口 getpid()：获取调用进程的进程ID 例如：printf("pid = [%d]",gitpid());

    tty 查看终端号

进程创建

fork()

使用这个函数需要包含头文件<unistd.h> 。

函数原型：

pid_t fork(void)；

fork()通过复制调用进程，创建一个新的进程（子进程），子进程复制的就是父进程的PCB，但程序标识符pid不同。

父子进程数据，代码看起来都一样 ，但==代码共享，数据独有==。这涉及写时拷贝技术，我们在下篇中详细介绍。

创建子进程的意义：

  1. 压力分摊
  2. 干其他工作

创建流程： 进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核进行操作：

  1. 分配新的内存块和内核数据结构给子进程。
  2. 将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程 (给子进程创建PCB，然后拷贝父进程数据进入)
  3. 添加子进程到系统进程列表汇总。
  4. fork返回，开始调度器调度。

getpid()函数对于父进程中返回子进程的pid，对于子进程返回 0，失败返回 -1。 所以父子进程的区分标准就是返回值，由此引出下面代码：

代码实例

int main(){
	printf("parent pid:%d\n",getpid());		//通过getpid接口获取调用进程的pid
	pid_t pid = fork();
	if(pid < 0){	//创建失败
		return -1;
	}
	else if(pid == 0){
		printf("child子进程\n");
	}
	else{
		printf("parent父进程\n");
	}
}

vfork()

创建子进程，并阻塞父进程。

  1. fork创建pcb并开辟内存空间，vfork创建的子进程有自己的PCB，但和父进程共用同一块虚拟空间。

  2. 子进程先运行，父进程等到子进程exit退出或者程序替换后，父进程才运行。

  3. 否则同时运行的话，因为父子进程共用虚拟地址空间，会造成==调用栈混乱==，因此需要阻塞父进程。 (比如父进程调用了memcpy函数)

  4. vfork子进程如果调用return退出，会释放资源，会导致父进程陷入混乱，或者错误。

  5. 子进程不终止，父进程一直处于阻塞状态。

fork/vfork 与 clone

vfork函数相对于早期fork函数：略过开辟空间、拷贝数据的过程，现在fork函数的写时拷贝技术也避免了无用的拷贝，所以vfork接口使用形式式微。

比较： fork/vfork都是库函数接口，clone是系统调用接口。

  • fork/vfork都是调用的是clone函数。

【注】换行符\n的作用：

  1. 换行
  2. 刷新缓冲区
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