(11)Linux 进程以及进程控制块PCB

发布时间:2023年12月26日

前言:章我们将带着大家深入理解 "进程" 的概念,"进程" 这个概念其实使我们一直在接触,只不过这个概念我们没有进行详细讲解罢了,本章我们就把 "进程" 好好地深入理解一番!引出进程的概念后,我们最后再讲解一下 PCB,针对什么是 PCB 以及为什么要有 PCB 等一系列问题进行讲解。

?进程的概念(Process)

什么是进程??

进程是一个运行起来的程序。?

什么是运行起来的程序呢,跑或没跑?跑起来的程序,和没跑起来的程序?我们不放首先来思考一个问题:

?思考:程序是文件吗?

是!文件在磁盘。一开始讲的冯诺依曼,磁盘就是外设,和内存与 CPU 打交道,它们之间有数据交互。你的程序最后要被 CPU 运行,所以要运行起来必须先从磁盘外设加载到内存中。因此,当可执行文件被加载到内存中时,该程序就成为了一个进程。

?先描述再组织

思考:操作系统中可能存在多个进程吗??

操作系统里面可能同时存在大量的进程!

既然如此,那操作系统要不要将所以后的进程管理起来呢?

当然要,不要不就乱套了?当前想调用哪个进程,想让哪个进程占用 CPU 资源,

想执行哪个资源,数据一大你不管怎么行?所以我们刚才再次讲解了操作系统管理的概念:

被管理对象的管理本质上是对数据的管理。那么 对进程的管理,本质上就是对进程数据的管理。

所以还是那句话 —— 我们需要 先描述再组织。

所以,当一个程序加载到内存时,操作系统做的不仅仅只是把代码和数据加入到内存,

还要管理进程,创建对应的数据结构。我们讲的是 Linux 操作系统,

Linux 操作系统的内核是 C 语言写的,所以我们管理进程,就要先描述再组织。

进程控制块(PCB)?

/* Process Ctrl Block */
struct task_struct {
    进程的所有属性数据
};

在操作系统中,我们把描述进程的结构体称为?\textrm{PCB}?(Process Ctrl Block) 。

在很多教材中,会把?\textrm{PCB}?称为 进程控制块

想要管理就必须要 "先描述再组织" 。所以每个进程都要有?\textrm{PCB} (task_struct)。

为什么我们的?task_struct 每个进程都要有呢?

因为这是为了管理进程而描述进程所设计的结构体类型,将来当有一个进程加载到内存时,
操作系统在内核中一定要为该进程创建 task_struct 结构体变量,并且要将该变量链入到全局的链表当中。要删掉一个进程,实际上就是遍历所有的链表结点,把对应进程的PCB和代码都释放掉,这就叫对链表做管理。最终你会发现,操作系统对进程的管理,最终变成了对链表的增删查改。

什么是进程?目前为止我们可以总结成:进程 = 可执行程序 + 该进程对应的内核数据结构?

系统接口

OS 为什么要给我们提供服务呢?因为计算机和 OS 设计出来就是为了给人提供服务的。

printf or cout?\rightarrow?向显示器打印,显示器是硬件?

所谓的打印,本质就是将数据写到硬件。

你自己的 C 程序,有资格向硬件写入吗?你是没有资格这么做的。

操作系统不相信任何人的,不会直接暴露自己的任何数据结构,代码逻辑,其他数据相关的细节。

想做系统是通过 系统调用 的方式,对外提供接口服务的。

Linux 操作系统是用C语言写的,这里所谓的 "接口",本质就是C函数。

我们学习系统编程,本质上就是学习这里的系统接口。

?进程查看

通过指令查看进程?

我们先创建一个 mytest.c 文件,然后写上一个死循环,每隔1秒就打印一句话:?

?生成 mytest 可执行文件后,使用 ldd 和 file 去查看:

对我们来说,既然它是 executable 那么就是可执行文件,它就是在磁盘上放着。

而我们使用的是云服务器,所以不是在你自己电脑的磁盘上,而是在云服务器的磁盘上放着。

接下来我们 ./mytest 去运行它,此时这个程序就变成了一个进程:

那么此时,在系统中我们可以使用? ps ?查看进程:

$ ps aux
$ ps ajx
 
/* 含义 */
1)ps a     显示现行终端机下的所有程序,包括其他用户的程序。
2)ps -A    显示所有程序。
3)ps c     列出程序时,显示每个程序真正的指令名称,而不包含路径,参数或常驻服务的标示。
4)ps -e    此参数的效果和指定"A"参数相同。
5)ps e     列出程序时,显示每个程序所使用的环境变量。
6)ps f     用ASCII字符显示树状结构,表达程序间的相互关系。
7)ps -H    显示树状结构,表示程序间的相互关系。
8)ps -N    显示所有的程序,除了执行ps指令终端机下的程序之外。
9)ps s     采用程序信号的格式显示程序状况。
10)ps S    列出程序时,包括已中断的子程序资料。
11)ps -t   <终端机编号>  指定终端机编号,并列出属于该终端机的程序的状况。
12)ps u   以用户为主的格式来显示程序状况。
13)ps x   显示所有程序,不以终端机来区分。
14)ps -l   显示详细PID信息

?我们使用ps aux进行演示:

此时他就会将你系统中所有的进程显示出来,这些都是系统中所对应的相关启动进程。

我们刚才直接使用?ps aux??打出来的都是以行为单位,如何我想查看我们刚才的 mytest 进程呢?

我们可以尝试使用 grep 抓一下:

$ ps aux | grep 'mytest'

?怎么这里有个grep呢?

这个指令是你写的吗?肯定不是

它们存在于/usr/bin/目录下

曾经我们执行的所有指令,今天要换种说法了——————进程。

本质上他们也是进程,所以我们看得见。

如果你不想见到 grep?进程,你就把 grep 关键字屏蔽掉就行:

$ ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

看到这里,你应该能发现了,其实没有什么神奇的,就相当于所有的指令是进程而已。

通过 proc 目录查看进程信息?

上面我们讲述了查看进程的第一种方式,即最常用的 ps aux 。

下面我们要来讲解第二种方式,在讲解之前我们先来探讨一下 "当前路径"

ls /

?proc:内存文件系统,里面放的是当前系统实时的 进程信息

既然如此,现在我们就用 ls /proc看一下我们的 process 进程信息:

乱七八糟的,蓝色标出的是目录……

此时我们要先引入一个新的概念:进程 pid??(process id)

进程 ID(pid)?

上面的这些蓝色的数字,实际上就是进程的 \textrm{pid}?,这个我们讲完 proc之后会说。

每一个进程在系统中,都会存在一个惟一的标识符!

这就如同每个人都有身份证号一样,进程也需要标号的,所以每个进程都存在有一个?\textrm{pid}

我们的 mytest 现在还在后台欢快的跑着呢,此时我们可以把所有的 title 列名称显示出来:

ps aux | head -1

此时我们成功把属性提取出来了,我们使用 && 进行下一步操作

(逻辑与,前面指令成功再执行下面的指令)

ps aux | head -1 && ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

这就是当前进程的?\textrm{pid},刚才我们说了:? proc 里保存的是内存当中实时的进程信息。那我们在 ? proc目录下找到这个 23751 ,发现这个 23751 目录确实存在!?

ls /proc/找到的pid

既然是实时的,那我们把正在跑的 mytest 进程 ctrl+ c?干掉。

看看这个文件夹是否还健在:

我们再用同样的指令去查,那 23751 目录下的内容应当是不复存在的:

?

事实也确实如此:进程是实时的。

我们再次运行,再用23751来找一下:

发现还是没有?

因为重开了嘛!我们在用指令去查看新的?\textrm{pid}

ps aux | head -1 && ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

?这次又变成了:23763

我们进去查看下进程属性:

?这里面的东西很多,目前想搞懂里面都是做什么的还为时尚早,我们先 -al 看看细节:

$ ls /proc/23763 -al

我们重点去关注 execwd

  • exe:指出进程对应的可执行程序的磁盘文件
  • cwd:指出进程当前的工作路径

?下面我们先终止进程,修改一下 mytest.c 文件的内容,给它加一个文件操作:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
 
int main(void) {
    FILE* fp = fopen("log.txt", "w");  // 若不存在就创建之
    while (1) {
        printf("Hello world!\n");
        sleep(1);
    }
}

?

成功运行,此时我们 ls 就能发现当前路径下多出一个 log.txt 文件,这就是我们自己创建的:?

?

fopen 后面如果不带路径,那么会默认在当前路径。

所谓的当前路径,其本质!也浮现出来了 —— 当前进程所在的路径

进程会自己维护,进程会知道自己的工作路径在哪里。

\textrm{pid},当前路径,这些东西在哪里呢?

进程的内部属性!在进程的进程控制块?\textrm{PCB}?(task_struct) 结构体中!

获取 pid(getpid 函数)

下面我们介绍下获取 \textrm{pid}?的函数 —— getpid()?

想要查看进程?\textrm{pid},一定是这个进程得运行起来。

$ man 2 getpid

?我们修改一下刚才的 mytest.c 代码:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main(void) {
    while (1) {
        printf("Hello world! , pid: %d\n",getpid());
        sleep(1);
    }
}

运行结果如下:

启动后,我们发现我们的 mytest 可执行程序的?\textrm{pid}?为 24359。

是否果真如此?我们还是用 ps aux 验证一下看看:

ps aux | head -1 && ps aux | grep 'mytest' | grep -v grep

杀进程(kill -9)?

我们再来回忆一下我们是如何杀掉一个进程的……?\textrm{ctrl + c}??

这是我们之前讲的,在 Linux 命令行中的热键,遇到问题解决不了可以用它来中止。

所谓的?\textrm{ctrl + c}?就是用来杀进程的。除此之外,你也可以选择在另一个终端中使用? kill? 命令:

 $ kill -9 [pid]   # 给这个进程发送9号信号

当前你只需要知道可以通过 kill -9 命令杀掉进程就行了,至于这个 9?号信号,我们会放在后面的信号章节去讲!比如我们现在想杀掉刚才运行的, 打出进程?\textrm{pid} 的?mytest 进程,其?\textrm{pid}?为? 24359:

父进程 ID(ppid)

? (parent process id) 其实就是父进程 id。

可以通过 getpid() 函数获取,其实 \textrm{ppid}? 也有与之对应的函数,那就是 getppid() 。

我们还是从 mytest.c 下手,刚才我们加入了 getpid, 现在我们再给句子后面加入 getppid。

我们再次清楚那个男人 —— man 手册出来:

代码:mytest.c?

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main(void) {
    while (1) {
        printf("Hello world! , pid: %d, ppid: %d\n",getpid(), getppid());
        sleep(1);
    }
}

代码运行结果:

我们从中得知,其 pid=24664 ppid=24363

我们还是验证一下,这里要看?\textrm{ppid},刚才的 ps aux 是显示不到的,这里介绍一下 ?ps ajx?:

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 'mytest' | grep -v grep

?ps ajx??就能把?\textrm{ppid}?和?\textrm{pid}?同时显示出来了。

我们刚才发觉到?\textrm{pid}?在每次启动都会重新分配,但是好像这里的?\textrm{ppid}?似乎恒定不变啊。

? 思考:我的父进程为什么不变?是谁呢?

ps axj | head -1 && ps axj | grep 24363

?

我们的父进程竟然是一个叫??\textrm{-bash}??的东西!这个现象,我们可以推导出一个假设:

几乎我们在命令行上所执行的所有指令包括你自己定义的 cmd,都是?\textrm{-bash} 进程的子进程。

使用 fork() 创建子进程?

fork()

?fork 函数是用来创建子进程的, 它有两个返回值。父进程返回子进程的 \textrm{pid},给子进程返回 0。

代码演示:我们来看看会发生什么:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main(void) {
    pid_t id = fork();
 
    printf("Hello, World!\n");
    sleep(1);
}

?打印两Hello world!

现在我们再来验证一下返回值的问题,我们把 id 给打印出来:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main(void) {
    pid_t id = fork();
 
    printf("Hello, World! id: %d\n", id);
    sleep(1);
}

父进程返回pid,子进程返回0

?

打印了两次 printf ……

刚才已经很离谱了,现在我们再看一个离谱的东西 ——

C 语言上 if 和 else if 可以同时执行吗?C语言中,有没有可能两个以上的死循环同时运行?

不可能,绝对不可能。但是马上你就能看到这一神奇现象:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
 
int main(void) {
    pid_t id = fork();
 
    /* id:  0 子进程, >0 父进程 */
    if (id == 0) {
        // child
        while (1) {
            printf("我是子进程,我的pid: %d,我的父进程是 %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    } else {
        // parent
        while (1) {
            printf("我是父进程,我的pid: %d,我的父进程是 %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
}

?运行结果如下:

我们发现,这两块代码是可以同时执行的。?

原因:fork 之后,父进程和子进程会共享代码,一般都会执行后续的代码。这也是为什么刚才的 printf 会打印两次的原因。fork 之后,父进程和子进程返回值不同,所以可以通过不同的返回值去判断,让父子执行不同的代码块。

问题:为什么 fork 会返回两次??

fork 函数,OS syscall call,fork 之后,OS 做了什么?是不是系统多了一个进程?

  • task_struct + 进程代码和数据
  • task_struct + 子进程的代码和数据

子进程的 task_struct 对象内部的数据基本是从父进程继承下来的。

子进程执行代码,计算数据的,子进程的代码从哪里来呢?
和父进程执行同样的代码,fork 之后,父子进程代码共享,而数据要各自独立!

父进程代码共享,让不同的返回值,让不同的进程执行不同的代码。

?

总结:我们在系统调用后,fork 本质是系统多了一个子进程,也就多了一个 task_struct,该进程控制块会几乎继承父进程,代码父子进程共享,但数据是各自私有的。

fork 的时候是要执行很多创建代码的逻辑的,最终 fork 会有两个返回值,一定是它曾经返回了2,次,因此一定会调用,return pid。

调用一个函数,当这个函数准备 return 的之后,那么这个函数的核心功能完成了吗?

当我们函数准备执行 return 的时候,函数的核心功能已经完成:

① 子进程已经被创建了
② 将子进程放入运行队列

最后,return 是代码吗?是的!所以当我们走到 return 时父进程有了,子进程也已经在运行队列了,fork 后代码共享,父子进程当然会执行后续被共享的 return 代码。因此,父进程执行一次 return,子进程执行一次 return,最后就是两个返回值了。
?

文章来源:https://blog.csdn.net/ayf9999/article/details/135231026
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