1.進程

1.1基本概念

課本概念 ：進程是程序的一個執行實例，是正在執行的程序。當程序被執行時，系統會為其創建一個進程，包含程序代碼、數據以及運行時所需的資源。

內核觀點 ：進程是擔當分配系統資源（CPU 時間、內存）的實體。操作系統內核通過進程來管理和調度系統資源，確保每個進程都能合理地使用 CPU、內存等硬件資源。

1.2 描述進程-PCB?

1.2.1 基本概念

進程控制塊（PCB） ：進程的信息被存放在一個名為進程控制塊的數據結構中，它是進程屬性的集合，就好比一個檔案袋，里面裝著進程的各種信息，比如進程的狀態、優先級、內存分配情況等。

Linux 中的 PCB（task_struct） ：在 Linux 操作系統下，PCB 是通過 task_struct 這個結構體來實現的。

1.2.2 task_struct?相關內容

task_struct 的定義：task_struct 是 Linux 內核中定義的一個復雜的數據結構，包含在內核源代碼的 include/linux/sched.h 文件中。它是內核用來表示和管理進程的核心數據結構，包含進程的各種信息，如進程標識符、狀態、內存管理信息、I/O 信息、調度參數等。

task_struct 的作用 ：用于在 Linux 中描述進程的結構體，它承載著進程相關的各類信息，是內核管理和調度進程的關鍵依據。

存儲位置 ：task_struct 是 Linux 內核的一種數據結構，會被裝載到 RAM（內存）里，這樣內核可以快速地訪問和修改進程的信息，以實現對進程的有效管理，比如進程的創建、切換、銷毀等操作都依賴于對 task_struct 的操作。

?1.2.3 內容分類

1）標示符

作用 ：用于唯一標識一個進程，區分系統中的不同進程。

具體信息 ：通常包括進程 ID（PID）、父進程 ID（PPID）等信息。

2）狀態

作用 ：反映進程當前的執行狀態，以及進程退出時的相關信息。

具體信息 ：包括進程是處于運行態、就緒態、等待態等，還有進程的退出代碼（用于表示進程正常結束或異常終止的原因）、退出信號（用于通知其他進程該進程已結束）等。

3）優先級

作用 ：決定進程調度的優先順序，優先級高的進程更容易獲得 CPU 資源進行執行。

具體信息 ：包括動態優先級和靜態優先級，不同的進程調度算法會根據優先級來安排進程的執行順序。

4）程序計數器

作用 ：指示處理器當前正在執行的指令位置，控制程序的執行流程。

具體信息 ：指向進程在程序中即將被執行的下一條指令的內存地址，當進程被調度執行時，處理器根據程序計數器的值來獲取并執行相應的指令。

5）內存指針

作用 ：描述進程在內存中的布局和內存資源的使用情況，以及與其他進程共享內存的區域

具體信息 ：包括指向進程的程序代碼段、數據段、堆、棧等內存區域的指針。還有指向與其他進程共享的內存塊的指針，用于實現進程間通信（IPC）和共享資源等功能。

6）上下文數據

作用 ：保存進程執行時處理器的寄存器狀態，用于在進程切換時恢復進程的執行環境。

具體信息 ：包括處理器的各種寄存器（如通用寄存器、控制寄存器、狀態寄存器等）的值，當進程被中斷或切換時，系統會保存當前的上下文數據，以便在該進程再次被調度執行時能夠恢復到之前的狀態繼續執行。

7）I/O 狀態信息

作用 ：記錄進程的 I/O 操作相關信息，方便系統進行 I/O 管理和調度。

具體信息 ：包括進程已發出的 I/O 請求、分配給進程的 I/O 設備（如磁盤、網絡設備等）以及進程打開和使用的文件列表等。

8）記賬信息

作用 ：用于記錄進程的資源使用情況，可用于系統資源管理和計費等目的。

具體信息 ：包括進程使用的處理器時間總和（如用戶態和內核態的 CPU 時間）、使用的時鐘數總和、時間限制（如超時時間）、記賬號等。

9）其他信息

作用 ：包含一些其他與進程相關的信息，這些信息可能因不同的內核版本或特定的系統配置而有所不同。

具體信息 ：例如進程的創建時間、所屬的用戶和組、安全上下文信息（在支持安全模塊的系統中）等。

1.3 進程的查看

1.3.1? ?PID與PPID

1) PID（Process ID）

1. 定義

   • PID 是操作系統分配給每個進程的唯一標識符，用于區分系統中的不同進程，是進程存在的標志。

2. 作用

   • 唯一標識進程 ：在 Linux 系統中，每個進程都有一個唯一的 PID，通過 PID 可以準確地識別和操作特定的進程。

   • 進程管理 ：系統和用戶可以根據 PID 對進程進行管理，如發送信號、終止進程、獲取進程信息等。

   • 資源分配 ：操作系統利用 PID 來管理進程的資源分配，如內存、CPU 時間等。

3. 范圍

   • 在 Linux 系統中，PID 是一個正整數。傳統的 PID 范圍是 1 到 32768，但具體范圍可能因系統配置而有所不同。可以通過查看 /proc/sys/kernel/pid_max 文件來確定系統中 PID 的最大值。

2) PPID（Parent Process ID）

1. 定義

   • PPID 是創建該進程的父進程的 ID。每個進程（除了 init 進程）都有一個父進程，PPID 用于標識這個父進程。

2. 作用

   • 父子進程關系 ：PPID 建立了進程之間的父子關系，有助于理解進程的層次結構和來源。例如，通過查看 PPID 可以知道某個進程是由哪個父進程啟動的。

   • 進程管理 ：在進程管理中，父進程可以利用 PPID 來管理和控制其子進程，如等待子進程結束、獲取子進程狀態等。

   • 孤兒進程處理 ：當父進程終止時，其子進程將成為孤兒進程。系統會將孤兒進程的 PPID 改為 1，由 init 進程（PID 為 1）收養這些孤兒進程，確保它們能夠正常結束?

3）?創建子進程的方式

在 Linux 系統中，父進程通過 fork() 系統調用創建子進程。

fork() 的功能是創建一個與父進程幾乎完全相同的子進程。子進程會復制父進程的地址空間、環境變量、打開的文件等。

1.3. 2?查看進程的可執行文件

1）使用 /proc 文件系統：

/proc 文件系統提供了關于進程的信息，每個進程在 /proc 中有一個以 PID 命名的目錄。可以使用 ls -l /proc/<PID>/exe 查看進程對應的可執行文件的鏈接。?

2）示例：

假設有一個名為 myprocess 的進程，其 PID 為 1234，可以使用以下命令查看其可執行文件：

ls -l /proc/1234/exe

輸出可能如下：

lrwxrwxrwx 1 root root 0 Mar 31 20:03 /proc/1234/exe -> /home/user/bin/myprocess

這表明進程 1234 的可執行文件位于 /home/user/bin/myprocess。

1.3.3 查看進程及父進程

使用?getpid?和?getppid?函數

• 功能：

• getpid 函數返回當前進程的 ID（PID）。

• getppid 函數返回當前進程的父進程 ID（PPID）。

?函數原型：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);

?應用：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = getpid();    // 獲取當前進程的 PIDpid_t ppid = getppid();  // 獲取當前進程的 PPIDprintf("Current process ID: %d\n", pid);printf("Parent process ID: %d\n", ppid);return 0;
}

?最后附上老師板書：

1.3.4 fork

?1)?基本概念

fork 的作用是創建一個新進程，這個新進程稱為子進程，而調用 fork 的進程稱為父進程。子進程是父進程的副本，它繼承了父進程的幾乎所有資源和狀態。

2)工作原理

復制父進程資源

當 fork 被調用時，操作系統會創建一個新進程，并將父進程的代碼段、數據段、堆、棧等資源復制到子進程中。子進程在創建時幾乎與父進程完全相同，包括代碼、變量、文件描述符、環境變量等。但是，子進程有自己獨立的進程標識符（PID），并且它與父進程是兩個獨立的進程實體

寫時拷貝

現代操作系統通常采用“寫時復制”技術來優化 fork 的性能。在 fork 調用時，操作系統并不會立即復制父進程的所有資源，而是將父進程的資源標記為“共享”。只有當父進程或子進程對這些資源進行寫操作時，操作系統才會真正復制被修改的部分資源，從而避免了不必要的復制操作，節省了時間和內存。

3)?返回值

fork 的返回值用于區分父進程和子進程

在父進程中

fork 返回子進程的進程標識符（PID），這是一個正整數。父進程可以通過這個 PID 來監控子進程的狀態，例如使用 wait 或 waitpid 等系統調用等待子進程結束。

在子進程中

fork 返回 0。子進程可以通過返回值為 0 來判斷自己是子進程，并執行相應的邏輯。

出錯時

如果 fork 調用失敗（例如系統資源不足或超出進程限制），它會返回 -1，并設置錯誤碼 errno。

?4)代碼示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() 
{pid_t pid = fork(); // 調用 fork 創建子進程if (pid < 0) {// fork 失敗perror("fork failed");return 1;}else if (pid == 0) {// 子進程printf("I am the child process, my PID is %d\n", getpid());} else {// 父進程printf("I am the parent process, my PID is %d, my child's PID is %d\n", getpid(), pid);            wait(NULL); // 等待子進程結束}return 0;
}

假設父進程的 PID 是 1234，子進程的 PID 是 1235，程序的輸出可能是：

?也許此時會有人疑惑，為什么if和else都進去了？？難道是程序出錯了嗎？還是說我們碰到了編程領域的量子力學了？？實際上，這里是多線程編程，可以同時都進的。

?5）代碼詳解

fork 調用后，程序會分為兩部分繼續執行：一部分在父進程中運行，另一部分在子進程中運行。因此，if 和 else 語句分別對應父進程和子進程的邏輯。

當程序執行到 pid_t pid = fork(); 時，操作系統會創建一個子進程。在調用 fork 之前，父進程和子進程是同一個進程，共享相同的代碼和數據。調用 fork 之后，程序會分為兩部分繼續執行：父進程和子進程。

在父進程中，fork 返回子進程的進程標識符（PID），這是一個正整數。因此，pid > 0，程序會進入 else 分支。

在子進程中，fork 返回 0。因此，pid == 0，程序會進入 else if 分支。

實際上，if 和 else 并不是同時進入的，而是分別在父進程和子進程中執行不同的分支。

父進程 執行 else 分支。子進程 執行 else if 分支。

從程序的整體運行角度來看，if 和 else 的邏輯分別在兩個不同的進程中執行，因此看起來像是“都進去了”，但實際上它們是在不同的上下文中運行的。

有一點值得注意的是：當我們創建出子進程后，父子兩個進程，誰先運行不確定，具體由OS的調度原則來確定。