【Linux】从零开始认识进程 — 前篇

我从来不相信什么懒洋洋的自由。我向往的自由是通过勤奋和努力实现的更广阔的人生。。——山本耀司

1 认识冯诺依曼体系

学习进程，我们需要对计算机操作系统 有一个初步的了解，也就是经典的冯诺依曼体系：
计算机的逻辑结构。冯·诺依曼从逻辑入手，他的逻辑设计具有以下特点：
（1）将电路、逻辑两种设计进行分离，给计算机建立创造最佳条件；
（2）将个人神经系统、计算机结合在一起，提出全新理念，即生物计算机。
符合人们的一般认知：

我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

1. 输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等
2. 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
3. 输出单元：显示器，打印机等

关于冯诺依曼体系结构，必须强调几点：

1. 这里的存储器指的是内存
2. 不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)外设(输入或输出设备)
3. 要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上

了解冯诺依曼体系结构，接下来我们来认识操作系统

2 操作系统

操作系统可以理解为硬件和用户层面之间的一个软件。让用户通过操作系统可以来对硬件进行访问。那为什么不让用户直接操作硬件呢？打个比方：
我们把银行抽象为一台电脑，银行的金库是我们的硬盘，而我们想要去银行取钱或存钱（获取数据/存入数据），那你说如果我们每个人都可以进入到金库自行行动，（相信大家都是有道德感的人，会如实操作），但群众中里肯定有坏人，假如他存1000元，却报告存了10000元，那银行系统就要崩溃了。所以才会有银行柜台（相当于操作系统提供的接口）让我们可以正常进行操作，不会发生恶性事件

操作系统是必然存在的在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是： 一款纯正的“搞管理”的软件
任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：
内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）其他程序（例如函数库， shell程序等等）

设计OS的目的:

1. 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
2. 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

这里通过一个图示，供大家学习使用：

系统调用和库函数概念：

1. 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
2. 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库（lib），有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

这里也可以解释为什么有些代码不具有跨平台性了：
因为直接访问的操作系统的调用接口与平台紧密相关。平台不同（操作系统不同）那系统调用接口，返回值等大概率不同，所以不具有跨平台性
c/c++ 具有跨平台性

接下来我们来学习进程！

3 进程

3.1 什么是进程？？？

相信大家一定对这个词充满陌生（不管你陌不陌生，反正我第一眼看是不理解什么是进程，太抽象了），但实际上，我们每天都在接触进程（除非你不玩手机，不用电脑）。那我们就俩看看电脑的进程是怎样的吧：
非常简单，我们打开任任务管理器，看见的都是正在进行的进程

这都是正在进行的进程，所以进程并不高深，是十分常见。
基本概念：

1. 课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等
2. 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体

我们也同任务管理器看到，进程是可以同时存在非常多的

3.2 进程管理

我们知道了进程是什么，那接下来我们来聊聊进程是如何进行管理的吧

进程是通过PCB来进行描述和管理的
进程 = PCB + 自己的数据和代码

PCB

PCB 实质上是一种结构体，里面包含该进程的信息，和下一进程的地址：类似如下结构

struct PCB{
	//所有属性
	//指向下一个进程
	struct PCB* next;
	//内存指针
	//储存对应数据，代码等
	//....
}

一个进程一定要有一个PCB。

那为什么要有PCB呢？？？：因为操作系统（os）要对进程进行管理！！！

3.3 Linux中的进程

每个操作系统都有自己对应的PCB模块，那我们来看一下linux 的PCB是什么样子：

struct task_struct{
	//Liunx 进程控制模块  
}

在linux里，通过链表进行的PCB管理 ，同时使用队列里选择任务进行运算。即：

1. 在队列里取出任务
2. 找到任务对应的PCB
3. 通过PCB调用对应数据进行CPU运算。

调度运行进程，本质就是让进程控制块task_struct进行排队！！！

在根据进程的概念我们可以理解linux的进程为：
进程 = 内核task_ struct结构体 + 程序的代码和数据

深入理解

现在我们来进入到linux中来看看进程的Task_struct本身内部的属性都有哪些？？？
现在，linux 启动!!!

. / 的本质就是让系统创建进程并运行 （此外每个指令也是一个可执行程序）
我们自己写的代码形成的可执行程序 == 系统命令 == 可执行程序。
在Linux 中大部分的执行操作本质都是运行进程！！！

现在我们再来看看Linux中的“任务管理器”，让我们一起来看看然后才能查看进程
ps ajx 可以查看我们的进程，为了方便演示我们使用grep 来进行一下筛选：
ps ajx | grep myprogress
在下面的 grep -…也是我们的进程，因为每次grep查找 都会形成进程 因而就会出现两个进程。
接下来我们来认识一下具体属性：
我们使用ps ajx | head -1(即只打印第一行)

然后怎么查看对应信息呢？？？光看到这一行也无法理解
使用指令 && 指令 即可：

这样我们成功打印出来进程信息，我们来认识一下：

1. PID ： 每一个进程都要有自己的唯一标识符，叫做进程PID

那么我们能不能通过可执行程序自己查到我们的PID呢？（这样就省去ps命令了）。
当然可以！！！
pid 储存在 struct task_struct 中，而struct task_struct 是内核数据结构，用户不能轻易访问（上面有讲到为什么不能访问），那么如何才能获取呢？？？当然是使用系统提供给我们的接口了
pid_t getpid（） 就是这样的接口。我们把接口加入到我们的代码中试试。
（getppid () 是返回父进程 ）

我们验证一下，PID是否正确：

显然 pid 的打印是正确的！！！

我们可以成功进行进程了，那么有没有方法可以结束进程呢？？？
当然有了！
kill -9 pid 就可以干掉想要结束的进程了，（kill是不是非常霸气！！！，起码把微软的结束进程霸气多了）
我们来尝试一下：可以看到我们成功kill 掉了正在进行的进程！

记住：

1. Ctrl + C 就是在用户层面终止进程，kill -9 pid 可以用来直接杀掉进程！！！

3.4 进程创建

首先来解释一下父进程，ppid 是父进程的ID
pid_t getppid()返回父进程的ID，而子进程是由父进程创建的，这里只做了解。
下面演示一下如何获取父进程的ID:

这样我们就获取到了父进程ID。
当我们多次运行时，每次进程PID都是不同的，但是父进程ID是相同的(每次运行 PID 不同是正常的)

那我们追溯一下这个父进程到底是谁
同样使用grep差找到该进程

可以看到的 父进程是bash,什么是bash???可以先理解为命令行解释器。目前还没有深入探讨的能力

接下来我们来尝试是否可以手动实现创建子进程
首先来认识一下 fork函数
fork() (可以通过运行 man fork 认识fork)

• fork有两个返回值
• 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）
• 创建一个进程，本质是系统中多一个进程，多一个进程，就是多一个内核task_struct
• 父进程的代码和数据是从磁盘加载来的，子进程的代码和数据会默认进程父进程的代码和数据

为什么要创建子进程呢：因为我们想要通过子进程与父进程执行不一样的代码，在特殊情况下可以提高运行效率。

接下来我们来认识一下fork（）函数的返回值，因为他两个返回值（与以往的认识函数不一样）。

  1 #include<stdio.h>  
  2 #include<unistd.h>  
  3 #include<sys/types.h>  
  4   
  5 int main(){  
  6   
  7   printf("process is running ,only me! pid: %d \n",getpid() );  
  8   fork();  
  9   pid_t id = fork();  
 10   
 11   if(id == -1) return 1;  
 12   else if(id == 0){  
 13     //child  
 14     while(1)  
 15     {   
 16       printf("id : %d I am child process,pid: %d, ppid: %d\n",id,getpid(),getppid());         
 17       sleep(1);                    
 18                                    
 19     }                              
 20   }                                
 21   else{                            
 22     //parent                       
 23     while(1){                                               
 25       printf("id : %d I am parent process,pid: %d, ppid: %d\n",id,getpid(),getppid());  
 26       sleep(2);                    
 27     }                              
 28                                    
 29   }                                
 30                                                 
 31   } 

简单写一下测试程序,来看效果：
可以看出是成功运行出子进程和父进程

刚才的代码，在9 行 fork（）之后，子进程和父进程是共享的，因为我们进行了判断，所以子进程与父进程会执行不一样的代码，在之前学习的语法中，if 与 else 的代码不可能一起运行，这是因为之前学习的都是单进程，在多进程中可以做到，即使这样，那也也有很多疑问：

1. 同一个 id 为什么可以即等于零 又 不等于于零？？？
2. fork()两个返回值是怎么回事？？？

问题1 涉及虚拟地址空间，我目前还没有了解。

那我们来看fork函数（由OS提供）,在代码执行的过程中，子进程就已经存在了，可以被调度了。

在任何操作系统中，进程一定要做到：进程具有独立性 ，PCB = 内核数据结构task_struct +代码与数据（只读）
那么如何查看该进程使用了哪些数据和代码呢？？？
使用ls /proc/pid -d就可以查到该进程的数据：

我们详细展开即可查看：

其中的exe 指向 是从什么路径下的文件加载的可执行程序。
在进程结束之后对应路径也会被销毁。

总结

1. 进程 = 内核task_ struct结构体 + 程序的代码和数据
2. ps ajx 可以查看我们的进程，为了方便演示我们使用grep 来进行一下筛选：ps ajx | grep myprogress
3. PID ： 每一个进程都要有自己的唯一标识符，叫做进程PID
4. pid_t getpid（） 获取pid
5. 当我们多次运行时，每次进程PID都是不同的，但是父进程ID是相同的(每次运行 PID 不同是正常的)
6. fork() 有两个返回值，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），创建一个进程，本质是系统中多一个进程，多一个进程，就是多一个内核task_struct ，父进程的代码和数据是从磁盘加载来的，子进程的代码和数据会默认进程父进程的代码和数据

送给大家一句话:

我从来不相信什么懒洋洋的自由。我向往的自由是通过勤奋和努力实现的更广阔的人生。。——山本耀司

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

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