【Linux】12.Linux进程概念（1）

1. 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

• 输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等

• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等

• 输出单元：显示器，打印机等

关于冯诺依曼，必须强调几点：

• 这里的存储器指的是内存

• 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)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。

• 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

1. 存储器：内存

2. 输入设备：鼠标，键盘，摄像头，话筒，磁盘，网卡…

3. 输出设备：显示器，播放器硬件，磁盘，网卡…

有的设备是纯输入输出，也有的又是输入又是输出。

输入设备和输出设备统称为外设。

4. 运算器：对我们的数据进行计算任务（算数运算，逻辑运算）
5. 控制器：对我们的计算硬件流程进行一定的控制。

运算器和控制器统称为CPU。

上面这些东西都是独立的个体，所以要用总线连接起来。

总线分为系统总线和IO总线。

存储是有效率的。寄存器最快，缓存其次，内存其次，外存最慢。

2. 操作系统(Operator System)

概念

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

与硬件交互，管理所有的软硬件资源（手段）

为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境（目的）

胆小的操作系统

操作系统里面会有各种的数据，可是操作系统不信任任何用户。

操作系统为了保证自己数据安全，也为了保证给用户能够提供服务，操作系统以接口的方式给用户提供调用的入口，来获取操作系统内部的数据。

接口是操作系统提供的，用C实现的，自己内部的函数调用（系统调用）

所有访问操作系统的行为，都只能通过系统调用实现。

定位

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

如何理解 “管理”

管理的例子

描述被管理对象

组织被管理对象

操作系统可以认为是决策者，驱动程序可以认为是执行者，软硬件资源可以认为是被管理者。

先描述，再组织。

在操作系统中，管理任何对象，最终都可以转化为对某种数据结构的增删查改。

C/C++的库函数和系统调用之间的关系就是上下层的调用和被调用的关系。

总结

计算机管理硬件

1. 描述起来，用struct结构体
2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

3. 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

内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

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

一个操作系统，不仅仅只能运行一个进程，还可以同时运行多个进程。

操作系统必须严格讲进程管理起来。

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 – 进程控制块。

可以认为PCB就是进程属性的集合，strut结构体里面存放的是进程编号，进程的状态，优先级…

进程 = 内核PCB的数据结构对象（描述你这个进程的所有的属性值） + 你自己的代码和数据

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，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

• 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

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。

在操作系统中，对进程进行管理，可以抽象为对一个个PCB连接起来的一个单链表的增删改查。

pcb -> task_struct结构体，里面包含进程的所有属性。

Linux中树如何组织进程，Linux内核中，最基本的组织进程task_struct的方式，采用双向链表组织的。

查看进程

进程的信息可以通过ps 或者 /proc 系统文件夹查看。

简单写一个简单程序

我这里把这个进程杀掉，那个进程就自动死掉了。（这里的进程号和上面不同是因为我中间关掉了程序一次）

通过系统调用获取进程标示符

• 进程id（PID）

• 父进程id（PPID）

proc.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(){
        while(1)
        {
                printf("I am a process,my id is:%d\n",getpid());
                sleep(1);
        }
        return 0;
}

输入：

while : ; do ps ajx | head -1 ; ps ajx |grep proc |grep -v grep;echo"----------------------";sleep 1;done
# while : ; do ... done
# 创建一个无限循环
# : 是一个始终返回true的命令
# 会一直循环执行直到你按 Ctrl+C 停止

# ps ajx | head -1                    # 显示进程列表的表头
# ps ajx | grep proc | grep -v grep   # 查找名为"proc"的进程（排除grep进程本身）
# echo "----------------------"        # 打印分隔行
# sleep 1                             # 暂停1秒

一开始没有运行程序，后来开启了进程。

然后改一下proc.c的代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(){
        while(1)
        {
                printf("I am a process,my id is:%d,parent:%d\n",getpid(),getppid());
                sleep(1);
        }
        return 0;
}

里面的父进程和子进程的id也能对的上。

这里每次子进程的pid都在变，但是父进程的ppid却不变。

这个父进程是谁呢?

原来是bash。

这个bash在我们每次登录系统的时候，系统会默认分配一个bash进程给我们。

通过系统调用创建进程-fork初识

• 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）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    printf("我是一个进程，pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());
    pid_t id=fork();
    if(id==0){
        //子进程
        while(1){
            printf("我是子进程，pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else if(id>0){
        //父进程
        while(1){
            printf("我是父进程，pid:%d, ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else{
        //error
    }
    return 0;
}

这里面出现了我是子进程和我是父进程，说明fork返回了两个值，简直是匪夷所思啊，以前的函数明明只能返回一个值的。

这里说明，fork又创建了一个进程，并且出现了父进程和子进程的死循环。

一开始这个程序是只有一个进程的，后来多出来一个子进程，形成了一个分支。

1. 为什么fork要返回两个值？给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0呢?

   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。

2. 一个函数是如何做到返回两次的？如何理解?

   fork也是个函数，当一个函数到了return语句的时候，他应该执行的核心工作已经实现完了。

   return语句也是代码，是被父子进程所共享的，所以父进程的return执行好了 会执行子进程的return。

3. fork函数究竟在干什么？干了什么？

进程=内核数据结构+代码和数据

一开始只有一个进程，也就是父进程，他有它对应的数据和代码。

然后新创建了一个子进程，子进程刚被创建出来的时候，是没有对应的代码和数据的，所以会指向父进程对应的代码。

所以fork之后，父子进程的代码是共享的。

但我们创建子进程肯定是想让子进程完成和父进程不一样的事情，所以我们要想办法让父和子进程执行不同的代码块。

这就让fork有了不同的返回值。

4. 一个变量为什么会有不同的内容？如何理解？

在任何平台，进程在运行的时候，是具有独立性的。我一个进程崩了不会影响其他的进程。

上面讲到，子进程会和父进程共用代码块，但是子进程没有数据，只能也死皮赖脸的从父进程拷贝一个数据，这个操作是操作系统自动完成的。

于是，两个进程的数据独立，代码公共，自然可以返回两个不同的内容了。

当然上面只是我们期望的，实际上子进程直接拷贝父进程的数据会导致数据太冗余了。

所以操作系统在子进程要对父进程的数据进行修改的时候，要改哪段，就会申请哪段的数据，可以称为数据层面的写时拷贝。

当子进程不修改父进程数据时，会采用写时父进程的数据和代码。

5. 父子进程创建好后，fork先运行父进程还是子进程?

   不确定，谁先运行由调度器确定。

   调度器：选择运行哪个进程。（尽可能地平均和公平）