Linux—进程概念与理解

目录

1.冯诺依曼体系结构

 小结：

2.操作系统 

概念：

结构示意图： 

理解操作系统：

用户使用底层硬件层次图：​编辑

 3.进程

概念

 结构示意图

task_ struct内容分类 

典型用法示例

观察进程:

了解 PID PPID

查看进程

1.冯诺依曼体系结构

  1. 输入设备：键盘、鼠标、摄像头、话筒、磁盘、网卡等，这些设备用于向计算机输入数据和指令。
  2. 输出设备：显示器、声卡、磁盘、网卡等，用于将计算机处理的结果输出展示。
  3. CPU：由运算器和控制器组成，是计算机的核心部件，负责数据的运算和控制计算机各部件协调工作。
  4. 存储器：内存，用于临时存储计算机正在运行的程序和数据。

CPU 不和外设直接打交道，CPU 只和内存打交道。 

外设 (输入和输出) 的数据，不是直接给 CPU 的，而是先要放入内存中。 

程序由代码和数据组成，未被加载到内存时，以二进制文件形式存储在磁盘等外部存储设备中。 

数据流动：数据在计算机体系结构中流动并进行加工处理，从一个设备到另一个设备本质上是一种拷贝操作。 

数据设备间的拷贝的效率，决定了计算机整机的基本效率。

越靠近cpu，容量越小，速度越快，价格越高。

 小结：

  1. 存储特性：距离 CPU 越近的存储设备，数据处理效率越高，但成本也越高。
  2. 硬件数据流动规则：
    • CPU 不直接与外设交互，仅与内存进行数据交换。
    • 外设的数据需先存入内存，再由内存传递给 CPU 处理。
  3. 程序运行机制：
    • 程序由代码和数据组成，在运行时需要加载到内存中，因为 CPU 只会从内存中读取代码和数据。
    • 当程序未被加载到内存时，以二进制文件形式存储在磁盘等外部存储设备中。

2.操作系统 

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）

操作系统是进行软硬件资源管理的软件。

从广义角度看，它包括操作系统的内核以及操作系统的外壳（周边程序），外壳给用户提供使用操作系统的方式；

从狭义角度看，操作系统只是指其内核。内核是操作系统的核心部分，负责管理系统的硬件资源、提供基本的服务等；而外壳则是基于内核之上的部分，为用户提供更友好的交互界面和操作方式。

结构示意图： 

理解操作系统：

操作系统是进行软硬件资源管理的软件，而任何管理离不开这句话：

先描述，后组织。

 以管理学生为例： 管理学生的本质是对学生的数据进行管理。

凡是对特定的对象进行管理都是 先描述，后管理。

在操作系统中驱动层将操作系统的请求转化为硬件能理解的命令。操作系统识别到相应的设备，创建相应的对象，硬件通过驱动层将硬件设备的相关属性上传到操作系统，通过链表的形式以便操作系统进行管理。

 

用户使用底层硬件层次图：

 我们经常使用的 scanf 和 printf 等本质需要接触键盘和显示器等底层硬件。但是我们不可能绕过管理系统进行接触。操作系统保证其稳定性，用户又不能直接接触操作系统，这时候就需要用到操作系统提供的 系统调用接口 来满足用户的需求，也能保证操作系统的稳定性。

  

按照之前的知识，每种操作系统提供的调用接口让用户使用，但在学习C/C++等语言在Windows、Linux不同系统下，我们使用 scanf 和 printf 的方式没有变化，说明我们使用的不是系统调用接口，而是通过用户操作接口。我们拿之前在Linux写的C语言程序查看依赖库：

ldd [选项] [可执行文件或共享库路径]

 

libc就是我们C语言的依赖库： 

 ​​​​​​

库函数对系统调用的封装：

许多高级编程语言中的标准库函数会对系统调用进行封装，以提供更方便、更友好的编程接口。例如，C 标准库中的printf函数，它内部会调用 write 系统调用来将数据输出到标准输出设备（如终端）。这种封装隐藏了系统调用的底层细节，提高了编程效率。

同时，一种编程语言至少需要一套语法，一套标准库，一套编译器。在不同的操作系统下，库函数实现 printf 调用的系统调用接口不同，对其进行封装可以实现跨平台性，实现在不同操作系统下也能实现 printf。

 3.进程

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。

 结构示意图

PCB 在 Linux 为 struct task_struct 

  

task_ struct内容分类 

  1. 标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
  2. 状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。
  3. 优先级: 相对于其他进程的优先级。
  4. 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。
  5. 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。
  6. 其他信息

以开机、开机举例：

操作系统关机时以二进制文件形式存储在磁盘中。开机后，内核被加载到内存并初始化。初始化过程中，内核会静态创建第一个进程（如 init）的 PCB，并存入内存。后续的进程如(fork( ))运行时动态分配PCB和资源，随后CPU通过调度器选择PCB开始工作，系统完成启动。 

进程task_struct在不同的队列中，就能分配不同的资源。 

 

 

ls 、file、程序的执行本质就是让系统创建进程并运行

--- 我们自己写的代码形成的可执行 == 系统命令 == 可执行文件。
在linux中运行的大部分执行操作，本质都是运行进程!!!

file 是 Linux 系统中一个常用的命令行工具，用于识别文件的类型。它通过分析文件的内容、元数据或特定标识（而非仅依赖文件名后缀），判断文件属于哪种类型（如文本文件、可执行程序、压缩包、图片等）。

基本语法

file

file [选项] 文件名/路径

常用选项

-b：仅显示文件类型描述，不包含文件名（简洁输出）。
-i：显示文件的 MIME 类型（如 text/plain、application/x-executable）。
-z：尝试分析压缩文件内部的文件类型（如 .zip、.tar.gz 中的文件）。
-L：如果文件是符号链接，显示链接指向的目标文件的类型（默认显示链接本身为 “symbolic link”）。

典型用法示例

观察进程:

 

 编写一个简单的代码并生成程序。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(){while(1){printf("I am a process\n");sleep(1);}}
~

 运行程序使用命令为：

ps axj|grep process    axj顺序没有要求

ps axj：ps 是查看进程状态的命令，axj 是组合选项：

a：显示所有用户的进程（包括非当前终端的进程）。
x：显示没有控制终端的进程（如后台运行的进程）。
j：以作业控制格式输出，主要包含 PPID（父进程 ID）、PID（进程 ID）、PGID（进程组 ID）、SID（会话 ID） 等列，适合查看进程间的父子关系和会话信息。


| grep process：管道符 | 将前一个命令的输出传递给 grep 过滤，grep process 用于筛选出包含 “process” 字符串的行（匹配进程名、命令行参数等,进程的默认命名与程序的名字一样）。 

ps axj|grep process  本身也是一个进程。所以终止process程序后，还能看见process有关的进程。

 想要直观地了解属性可以加入

head -1&&ps axj

    head -1 只取输出的第一行，即表头行（例如：PPID PID PGID SID TTY TPGID STAT UID TIME COMMAND），用于说明各列的含义。

    ps axj| head -1&&ps axj |grep process  #打印进程信息后，取表头再打印进程信息

    了解 PID PPID

    操作系统的进程调度器通过 一个唯一的标识符 来区分不同进程，对进程进行调度、分配 CPU 时间片等操作 ，所以有了PID，PID 是每个进程在系统中的唯一数字标识，就像每个人的身份证号一样。

    PPID 记录创建当前进程的父进程的 ID，从而构建起进程间的父子关系，形成进程树状层次结构。这种结构有助于系统对进程进行管理，比如在进程清理时，当父进程结束，系统可以根据 PPID 找到所有子进程并进行相应处理（如在某些情况下，父进程退出后，子进程会被重新挂载到 init 进程下，init 进程的 PID 为 1 ）。同时，系统管理员也可以通过查看进程的 PPID，了解进程的创建来源和相互关系，便于排查问题。

     getpid：用于获取当前进程的进程 ID（PID），返回值类型为pid_t，无参数。


    getppid：用于获取当前进程的父进程 ID（PPID），返回值类型也为pid_t，同样无参数。

     

     写个简易代码来观察

    #include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(){pid_t pid = getpid();pid_t ppid = getppid();while(1){printf("I am a process PID=%d  PPID=%d\n",pid,ppid);sleep(1);}}

     

     想要连续观察进程的状态，可以添加shell脚本实时观察：

    hile :;do ps axj| head -1&&ps axj |grep process;sleep 1; done  每隔一秒打印一次

     

     多次运行编写的 process ，每次的子进程 PID 都不一样 父进程 PPID 不变。

     观察父进程，发现父进程由bash而来

     我们是否也能创建自己的子进程呢？

    答案是肯定的，我们来了解一下fork。

    fork() 是 Unix/Linux 系统中用于创建新进程的核心系统调用，通过复制当前进程（父进程）来生成一个几乎完全相同的新进程（子进程）。以下是对其关键特性的解析：

    核心功能
    进程复制：fork() 会复制当前进程的所有资源（代码段、数据段、堆、栈、文件描述符等），生成一个新的子进程。
    调用后双进程执行：调用 fork() 后，父进程和子进程会同时从 fork() 的下一行代码开始执行，但返回值不同：

    进程类型fork() 调用返回值说明
    父进程子进程的 PID（正数）父进程通过返回的 PID 识别和管理子进程
    子进程0子进程通过返回 0 标识自己是子进程
    失败情况-1通常因内存不足、进程数超限等原因导致创建失败
     
    差异项父进程子进程
    代码和数据来源从磁盘加载而来是父进程的 “副本”，默认继承父进程的代码和数据
    进程 ID（PID）有唯一的 PID有唯一的 PID，与父进程不同
    父进程 ID（PPID）-等于父进程的 PID
    内存锁可能有通过 mlock () 等函数锁定的内存区域不继承父进程的内存锁
    资源统计有累计的资源使用统计，如 CPU 时间、内存占用等资源使用统计重置为 0
    文件锁可能有通过 flock () 等函数锁定的文件

    不继承父进程的文件锁

    内存与资源的 “写时复制（COW）”
    为提高效率，fork() 使用 ** 写时复制（Copy-On-Write）** 技术：

    初始时，子进程与父进程共享同一内存空间，不实际复制数据。
    当任一进程（父或子）修改内存数据时，才会复制受影响的内存页，确保修改独立。

     我们写一段代码简单了解一下

    #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {while(1){printf("Child process: ID=%d PID = %d, PPID = %d\n", pid , getpid(), getppid());sleep(2);}} else {while(1){printf("Parent process: ID=%d PID = %d, Child PID = %d\n",pid , getpid(), pid);sleep(2);}}return 0;
}

    可以观察到有两个进程在同时运行：

    删除子进程：

     删除父进程

     无论删除子进程还是父进程都不影响其独立性。

    进程一定要有独立性

     之前 进程 = 内核数据结构 task_struct +  代码 + 数据

    父进程和子进程都有对应的task_struct结构，代码是只读的，父进程和子子进程的数据是独立的。

    fork()返回两个值可以理解为分别从子进程和父进程的数据中返回的。

    本质上是父进程和子进程在各自独立的内存空间中，操作系统对同一个变量赋予了不同的值。

     

    查看进程

    除了之前 ps 命令查看进程，我们能在  /proc 路径下查看进程：

    proc 路径下的进程按照 PID 命名。 

    我们来查看进程的详情

    ls /proc/2699451 -l

     删除可执行程序后，程序路径显示删除，但是当前进程仍在运行。

     

    这是因为我们删除的是磁盘的文件，进程已经加载到内存里面且文件很小，没有影响到其他进程且调度器也没有更紧急的需求，所以仍然可以运行。

    以前我们学过 fopen ("log.txt",“w”);

    他是怎么打开识别到当前路径的呢？

     我们先创建一个程序执行

     然后我们修改 log.txt 生成的路径

    #include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{chdir("/home/new");FILE *fp = fopen("log.txt", "w");(void)fp;fclose(fp);while(1){printf("I am a process, pid: %d\n", getpid());sleep(1);}return 0;
}

    重新编译后再次运行程序：

     文件成功改变路径。

    fopen ("log.txt",“w”);

    fopen函数调用时，他会寻找自己进程的cwd，当我们把文件名参数输入（不是绝对路径时），他默认会拼接当前进程的路径。所以在当前目录下生成我们需要的"log.txt"文件。

    再见ヾ(￣▽￣)Bye~Bye~

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