《Linux从练气到飞升》No.12 Linux进程概念

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前言

本篇我们将正式进入Linux的世界,首先先要讲的就是进程,进程是什么?怎么描述?如何组织、查看?如何创建?本篇都将详细讲解~

进程基本概念

  • 课本概念:程序的一个执行实例,正在执行的程序等

实际上,我们启动一个软件的本质上就是启动了一个进程,在Linux系统中运行 ./a.out 时,其实就是在系统的层面上创建了一个进程,如下:

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>    
int main() {   
    while(1)   
    {   
        printf("hello world!\n");   
        sleep(1);   
    }   
    return 0;   
} 

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  • 内核观点:担当分配系统资源(CPU时间,内存)的实体。

从内核观点看的话,就是如下图这样,后面再讲概念。
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按照之前操作系统篇讲过的先描述再组织,所以可以预言系统中会存在一个管理对应进程的结构体,因为不同的进程的属性不同,不可能直接管理进程,只能通过一个结构体来管理它,这个结构体的内容应该包括该进程的各个属性,我们之后叫它PCB(process control block),当然不同的系统中的叫法可能不同,但是理念是一样的。

区分程序和进程

  1. 程序的本质是一个静态文件,存储在磁盘中

  2. 进程是对应的代码+数据+进程对应的PCB结构体

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
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task_struct-PCB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(双向链表),它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

task_ struct内容分类

    1. 进程标示符: 描述本进程的唯一标示符,用来区别其他进程。

进程PID在当前操作系统中唯一标识一个进程的标识符。

ps aux命令可以查看当前操作系统中所有的进程信息
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    1. 进程状态: 任务状态,退出代码,退出信号等。
      进程状态:
      三种状态:
      运行态:正在拿着CPU资源进行运算的进程所持有的状态
      就绪态:一切的准备资源都准备就绪了,等待操作系统分配CPU资源
      阻塞态:等待某种资源到来之后才能进行运算
      细分状态:
      R:运行状态
      S:可中断睡眠状态:意味着进程在等待事件完成
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      D:不可中断睡眠状态:有时候也叫不可中断睡眠状态(uninterruptible sleep),在这个状态的进程
      通常会等待IO的结束。

      T:暂停状态:可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止(T)进程。这个被暂停的进程可以通过发
      送 SIGCONT 信号让进程继续运行。

      t:跟踪状态,当进程被gdb调试时会产生t
      X:死亡状态:这个状态只是一个返回状态,你不会在任务列表里看到这个状态
      Z:僵尸状态:一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程没有读取到子进程退出的返回代码时就
      会产生僵死(尸)进程

    1. 进程优先级: 相对于其他进程的优先级。
    1. 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。
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    1. 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
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    1. 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据。
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    1. 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。
    1. 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、cpu使用率、内存使用率、CPU使用时长。
    1. 其他信息

组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看
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如:要获取PID为1的进程信息,你需要查看 /proc/1 这个文件夹。
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大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    while(1)
    {  
        printf("hello world!\n");
        sleep(1);
    }  
    return 0; 
}

ps aux | grep mycode | grep -v grep

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通过系统调用获取进程标示符

  • 进程id(PID)
  • 父进程id(PPID)
    返回0为子进程,返回大于0(子进程PID)为父进程,返回小于0,创建失败
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
	printf("pid: %d\n", getpid());
	printf("ppid: %d\n", getppid());
	return 0;
}

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通过系统调用创建进程-fork初识

1. 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)。

  • 代码是逻辑,一般不可被修改,数据,即可读又可写。

  • 进程是有独立性的,父子进程fork完毕后,谁先运行是不确定的,这个有调度器决定。

测试代码:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("begin fork...\n");
    fork();
    printf("end fork...\n");
    return 0; 
}

结果:出现两个end fork…
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测试代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    
    printf("create process failed\n");
    pid_t pid=fork();
    if(pid<0)
    {
        printf("create process failed\n");
    }
    else if(pid == 0)
    { 
        printf("create child success\n");
    }
    else
    { 
        printf("create parent success\n");
    }
    printf("end fork...\n");
    return 0;
}

结果:
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pid进入两个分支说明了有两个pid值,也就说明fork有两个返回值,

为什么会有两个返回值?

  1. 因为fork内部,父子各自会执行自己的return语句
  2. 返回两次,并不意味着缓存两次。(以后讲)

return后核心代码都执行完了吗?

完成了

fork函数是怎么新建进程的?

操作系统和CPU运行某个进程,本质就是从task_struct链表中挑一个task_struct来执行它的代码,只要想到进程就要优先想到对应的task_struct,而进程调度就变成了在task_struct链表中选择一个进程的过程,fork函数就是再创建一个进程和task_struct,并将这个task_struct添加到task_struct队列中。
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为什么给子进程返回0,父进程返回子进程的pid?(感性分析一下,并不完全正确)

子进程只有一个父进程,而父进程可以有多个子进程,fork之后,给父进程返回子进程的pid可以方便父进程对子进程进行管理,而父进程对子进程是唯一的,子进程只需要知道自己是否创建成功,成功创建后的父进程是谁即可。

既然子进程有父进程,那最终的父进程是谁?

是bash,bash是所有进程的父进程,验证如下: 子进程的ppid是父进程的pid,而父进程的ppid是bash,所以bash是所有进程的父进程。
代码:

#include<stdio.h>
        #include<unistd.h>
        int main()
        {  
            int ret=fork();
            if(ret<0)
            {  
                printf("fork error!\n");
            }  
            else if(ret==0)
            {  
                printf("i am child:%d ret=%d\n",getpid(),ret);
            }  
            else
            {  
                printf("i am parent:%d ret=%d\n",getppid(),ret);
            }  
            return 0; 
        }  

运行结果:
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查看:

ps aux | grep 32158

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2. 父进程先运行还是子进程先运行?

  • 子进程在被创建后,在内核中会生成一个PCB对它进行管理,这个PCB会被挂在PCB构成的双向链表当中组织起来
  • 而父进程与子进程谁先运行是不确定的,取决于操作系统的调度
  • 它是抢占式执行的,也就是OS会给进程运行一段时间然后中止,把CPU资源让给其他进程。
  • 子进程在创建出来以后,子进程的运行与父进程无关了

3. 创建子进程时OS要做什么?

本质上就是新建了一个task_struct加入到系统中

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后记

本篇主要讲述了进程的基本概念以及如何描述进程——PCB,并且讲述了如何通过系统调用获取进程标识符,如何创建子进程——初识fork,更为深入的讲解将在后面的文章进行讲述~文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-647441.html

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