Linux进程编程实践1——进程的基本概念、fork创建进程

迈不过友情╰ 2022-10-30 12:29 234阅读 0赞

### Linux进程编程实践——进程概念、进程描述、fork创建进程 ###

*  一、进程的基本概念
 *   *  1.1 程序 VS 进程
     *   *  <1> 什么是程序？
         *  <2> 什么是进程？
         *  <3> 进程和程序的区别
     *  1.2 进程数据结构(描述进程)
     *   *  <1> 操作系统的进程描述——PCB
         *  <2> Linux下的进程描述——task\_struct
 *  二、fork创建进程
 *   *  2.1 获取进程标识符与查看进程
     *   *  Q1:为什么要知道一个进程的PID以及它父进程的PID呢？
     *  2.2 fork创建进程
     *   *  Q1:如何理解进程创建？
         *  Q2:如何理解父子进程执行顺序？
         *  Q3:如何理解fork一次调用，两次返回（两个返回值）？

# 一、进程的基本概念 #

在学习进程之前我们需要理解和区分两个概念：程序和进程。

## 1.1 程序 VS 进程 ##

### <1> 什么是程序？ ###

程序是完成特定任务的一系列指令集合。  
举个栗子，下面这段代码就是一个程序

#include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    
    int main()
    {
        
      while(1)
      {
        
      	printf("hello world\n");
        sleep(1);
      }
      return 0;
    }

我们编译好后把它运行起来：  
![在这里插入图片描述][20210219172235653.png]

### <2> 什么是进程？ ###

*  从用户的角度来看：**进程是程序的一次执行过程**。
 *  从操作系统的核心来看：**进程是操作系统分配的内存、CPU时间片等资源的基本单位。**

进程是**资源分配的最小单位**，每一个进程都有自己独立的**地址空间**与**执行状态**。像Linux这样的多任务操作系统能够让**许多程序同时运行，每一个运行着的程序就构成了一个进程**。  
我们另开一个窗口，使用ps命令就可以查看刚才运行的程序以及它所构成的进程  
![在这里插入图片描述][20210219172657685.png]

### <3> 进程和程序的区别 ###

*  进程是**动态**的，程序是**静态**的
 *  进程的生命周期是**相对短暂**的，而程序是**永久**的。
 *  一个进程**只能对应一个程序**，一个程序**可以对应多个进程**。

## 1.2 进程数据结构(描述进程) ##

### <1> 操作系统的进程描述——PCB ###

进程的静态描述由三部分组成:PCB、有关程序段和该程序段对其进行操作的数据结构集。

*  **进程控制块(Process Control Block, PCB)**：用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部信息。
 *  **代码段**：是进程中能被进程调度程序在CPU上执行的程序代码段。
 *  **数据段**：一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行后产生的中间或最终数据

### <2> Linux下的进程描述——task\_struct ###

*  在Linux中描述进程的结构体叫做task\_struct。它是PCB的一种。
 *  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

**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。
 *  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

# 二、fork创建进程 #

## 2.1 获取进程标识符与查看进程 ##

**进程最知名的属性就是进程号（processID,PID）和它父进程号（parent processID,PPID）。**

*  PID和PPID都是**非零的整数**。
 *  一个PID**唯一标识**一个进程。
 *  一个进程创建的另一个新进程称为**子进程**。相反地，创建子进程的进程称为**父进程**。
 *  所有进程追溯其祖先最终都会落到进**程号为1的进程**身上，这个进程叫init进程Init进程是linux内核启动后第一个执行的进程。
 *  Init引导系统，启动守护进程并且运行必要的程序。

通过调用`getpid()`获取**进程id**，调用`getppid()`获取父进程id，举个栗子：

#include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    
    int main()
    {
        
      printf("子进程pid：%d\n",getpid());
      printf("父进程ppid：%d\n",getppid());
    
      return 0;
    }

运行结果：  
![在这里插入图片描述][20210219200601877.png]  
我们可以使用ps，top等命令查看系统进程，也可以通过下述操作查看  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### Q1:为什么要知道一个进程的PID以及它父进程的PID呢？ ###

PID常见的用法之一就是创建唯一的文件或目录名。  
另一种的用途是把PID写入日志文件做为日志消息的一部分。

## 2.2 fork创建进程 ##

对于Linux系统，我们运行`man fork`命令来认识fork  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  包含头文件 <unistd.h>
 *  函数功能:创建一个子进程
 *  函数原型：pid\_t fork(void);
 *  参数：无参数。
 *  返回值:
    
     *  如果成功创建一个子进程，对于父进程来说返回子进程ID
     *  如果成功创建一个子进程，对于子进程来说返回值为0
     *  如果为-1表示创建失败  
        ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

掌握了函数的用法后，我们通过实例来掌握并理解fork函数和进程创建

#include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    
    int main()
    {
        
      printf("未调用fork打印一遍\n");
      
      fork();
      printf("调用fork打印两遍，父进程ID:%d , 进程ID:%d \n",getppid(), getpid());
      sleep(1);
      return 0;
    }

通过上述代码我们调用fork函数创建进程，可以发现fork()语句之后printf语句被执行了两次  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
我们可以更加形象的理解进程间的关系：

bash进程(id:23920)——爷爷

第一个输出进程(id:31987)，与bash进程为父子关系——儿子

第二个输出进程(id:31988)，与第一个输出进程为父子关系——孙子

### Q1:如何理解进程创建？ ###

博客1.2节中介绍了**进程的数据结构由PCB+代码段+数据段**，而Linux中的PCB是由task\_struct代替的，创建一个进程在Linux中，我们目前可以认为需要三部分构成

*  task\_struct
 *  数据段
 *  代码段  
    但是**创建一个子进程确只需要创建task\_struct和数据段，代码段是和父进程共享的**，这在一定程序上节省了空间。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

### Q2:如何理解父子进程执行顺序？ ###

fork系统调用之后，父子进程将交替执行。

### Q3:如何理解fork一次调用，两次返回（两个返回值）？ ###

首先问题的本质是：两次返回，**是在各自的进程空间中返回的**。  
在Q1中我们了解到**子进程和父进程各有自己的内存空间** （fork函数：代码段、数据段、堆栈段、PCB进程控制块的复制）。父进程调用fork函数，子进程也会调用，且返回值都会存入到自己的数据段中，我们通过一个程序来深刻理解两次返回。

#include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    
    int main()
    {
        
      
      int ret =  fork();
      if(ret < 0)
      {
        
        printf("进程创建失败！\n");
      }
      else if(0 == ret)
      {
        
        printf("我是儿子(id:%d),fork返回值:%d\n",getpid(),ret);
      }
      else
      {
        
        printf("我是父亲(id:%d),fork返回值:%d\n", getpid(),ret);
      }
      sleep(1);
      return 0;
    }

运行结果  
![在这里插入图片描述][20210219203626853.png]  
由结果可看出，成功创建一个子进程，**对于父进程来说返回子进程ID：4451，对于子进程来说返回值为0**

[20210219172235653.png]: /images/20221024/3159a758acd249edb2886ec9f3df145a.png
[20210219172657685.png]: /images/20221024/d11024217c494f6baace0d718d4249ac.png
[20210219200601877.png]: /images/20221024/c051553f7cb540c7acdd8a5a6da3e1f9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221024/93fbfe818a28404885ddbe170d59301a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221024/b2e3492de7e74d9ea4be56271f92b779.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221024/ad42a3d999f84d61967228bcfa436972.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221024/4f954115b3114bb1b7b13ee9f91569c6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMDc2MDIy_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20221024/1f821985863544f6a0842cb80398b210.png
[20210219203626853.png]: /images/20221024/88b7ea56732b412aa72be62fc35cdf4d.png