树莓派开始，玩转Linux14：从程序到进程

比眉伴天荒 2023-01-17 11:54 55阅读 0赞

## 树莓派开始，玩转Linux14：从程序到进程 ##

计算机不止是存储数据的仓库，它还可以进行多种多样的活动，比如收发电子邮件、播放电影、陪人们下棋。应用程序给计算机带来了丰富的动作。Linux系统在应用层面的活动都以"进程"为单位进行。本章我们将初探进程。

**1.指令：**

计算机实际上可以做的事情非常简单。我们给CPU发出指令（Instruction），CPU就会执行这些基础动作。  
指令通常由一串二进制的序列构成。  
CPU会识别并执行这些指令。  
每一款CPU都有一套指令集，比如ARM CPU使用的精简指令集。

一条指令能做到的事情很少，比如计算寄存器中两个数的和，又如把内存中的数据移入寄存器。寄存器（Register）是CPU的临时存储空间。  
在树莓派中，即使是计算内存中两个数的和，也需要多条指令。  
·　指令1：把内存1号地址的数值放入寄存器a。  
·　指令2：把内存2号地址的数值放入寄存器b。  
·　指令3：对寄存器a和寄存器b中的数值求和，放入寄存器a。  
·　指令4：把寄存器a中的结果放入内存3号地址。  
整个过程就像是厨师做番茄炒蛋。厨师要先从库房的两个货架上分别拿来番茄和蛋放在案板上，然后用锅把两种原料炒在一起。在计算机中，内存像是库房，寄存器像是案板，而CPU中的运算单元就是炒菜锅，如图1所示。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
除了搬运数据和计算，CPU指令还可以控制计算机内部的其他硬件乃至外设。  
早期程序员必须背熟CPU的指令集，然后用指令写程序。那个时候的程序员必须把任务分解成一条条CPU可以直接理解的指令。这样的程序称为机器程序（Machine Code）。机器程序可以用汇编语言  
（Assembly Language）编写。比如加法程序可以用汇编语言写出来：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
AX和BX代表了寄存器的两个位置，而\[20H\]和\[10H\]是内存中的两个位置。汇编程序里的每一行都直接对应了一条CPU可以解读的指令。MOV表示移动数据，ADD表示相加。程序会把内存中的两条数据移入寄存器，计算两条数据的和，再把结果移回内存。注意，这段程序简化了很多内容。根据CPU的不同，相同功能的汇编程序也会不同。

无论如何，我们已经从上面的汇编程序看到一种编程方式。写汇编程序时，程序员说明硬件级别的动作，所以汇编程序运行起来很快。这就像是赛车手开手动挡的汽车，可以充分发挥出汽车的性能，驾驶得更流畅，也更加省油。但是，一旦所要实现的功能变复杂，那么汇编程序需要的指令数会快速增加。此外，由于程序在指令使用上没有限制，也经常会造成很多错误。这也如手动挡汽车，一旦挂挡不当，就很容易熄火。

**2.C语言：**

程序员一边痛苦地写着汇编程序，一边探索简化程序编写的方法。他们很快发现，汇编程序的语句之间会有某些固定的组合模式。比如，计算机经常会重复执行某些特定任务。就拿高斯求和来说，从1开始，加2，加3…一直加到100。在整个过程中，程序就是反复执行相同的加法操作。  
那么与其手动重复相同的指令，不如用"循环"这样的语法来表示重复执行的任务，让计算机自己去完成重复。因此，程序员们发明了高级语言，用一些特殊的语法来抽象某些常见的指令组合。Linux系统的大部分程序，正是由C语言这一高级语言写成的。  
先来看一个C语言的程序文件，这个文件的名字是demo.c，你可以  
用nano来写C语言文件：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
C程序用\{\}来表示一个程序块。上述程序定义了函数main。函数（Function）是对一个程序块的抽象。函数main是C语言中的特殊函数。当程序运行时，会自动调用其中的main函数。所谓的函数调用就是执行函数包含的程序块。函数运行完成后会有一个返回值（Return  
Value）。正如main前面的int表明的，main函数的返回值是整数类型（Integer）。  
函数main的调用是自动进行的。除此之外，其他函数必须在某个语句中被调用，才可以执行。比如，函数main中调用了函数printf。函数printf会在屏幕上打印括号中的内容。当main函数执行到这一句时，printf函数就会被调用。写程序时，只要写清楚函数名，就可以调用一个功能复杂的程序块。  
函数中创建了3个变量（Variable），分别用字母a、b、c表示。变量用于存储特定类型的数据。3个变量都是整数类型，用int表示，可以用来存储11、-24或1986这样的整数。变量是主存储器的一块空间，可用来存储数据。3个整型变量可以存储3个整数。  
创建了变量之后，我们就可以往变量中读取或写入数据，例如：  
![在这里插入图片描述][20210429105545108.png]  
就读取变量a和变量b中的数据，将它们相加，再存入变量c。"="是赋值（Assignment）符号，用于把数据写入变量。  
这段程序的功能，就是计算整数相加的结果，并以特定格式打印出来：

![在这里插入图片描述][20210429105620688.png]  
我们再来看高斯求和的实现方式：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
这一段C程序，和16.1节中的汇编语言的功能类似，但语法上区别显著。一方面，高级语言提供了很多便利。比如函数语法允许程序员来代表复杂的程序块，从而提高了程序的可复用性。另一方面，高级语言也给出了很多限制，比如通过变量类型，给不同的变量以特定的内存空间，从而减少了出错的可能。通过提供便利和限制，高级语言提高了程序员的生产力。

**3.程序编译：**

因为C语言中包含了很多抽象语法，所以计算机不能直接理解C语言的语法。高级C语言程序必须先编译成汇编程序，再转成机器程序运行。我们可以用gcc来编译一个C程序，比如：  
![在这里插入图片描述][20210429105810175.png]  
编译完成后，当前目录下会出现一个名为a.out的二进制可执行文  
件。用下面的方式执行该文件：  
![在这里插入图片描述][20210429105827607.png]  
程序运行，在Shell中打印：  
![在这里插入图片描述][20210429105843699.png]  
我们看到，计算机按照程序的描述执行了特定的活动，即计算两个  
数的和并打印出来。  
C语言的编译是把程序员可读的C语言文本，翻译成计算机可读的机器程序。编译产生的a.out就是可执行文件，内含二进制文本。计算机可以直接读懂并执行该程序。这个二进制文本其实就是指令式的程序。通过apt-get下载的应用，大部分都是已经编译好的二进制可执行文件。  
我们可以直接使用这些程序，免去了编译的步骤。

但有些时候，软件商店中没有我们需要的软件，那么我们不得不从源代码出发，对程序进行编译。  
大部分Linux应用的编译都比上面例子的过程复杂。一般来说，源代码中还包含了编译大型工程所需的辅助文件。按照惯例，一般会有一个名为configure的脚本用于设置。  
编译的第一步，就是运行该脚本，根据提示进行设置：  
![在这里插入图片描述][20210429110000585.png]  
随后，你需要运行make命令：  
![在这里插入图片描述][20210429110014565.png]  
命令make会根据工程中的Makefile来解析代码文件之间的依赖关系。通常来说，一个工程会包含多个C语言程序。由于C语言可以跨文件地调用函数和变量，因此在编译时，代码文件之间相互依赖。命令make会根据依赖关系来编译文件。  
最后，把编译好的二进制可执行文件放到configure设定的目标路径中：  
![在这里插入图片描述][20210429110050170.png]  
**4.看一眼进程：**

虽然程序规定了活动的动作，但是应用程序并不等于进程（Process）。  
进程是程序的一个具体实现。我们只有运行程序，才能产生一个进程。程序和进程的关系，类似于食谱和做菜的关系。  
对于一个厨师来说，只有食谱没什么用，只有按食谱的指点一步步实行，才能做出菜肴。进程是执行程序的过程，类似于按照食谱真正去做菜的过程。  
在Linux系统中，我们可以用ps命令来查询正在运行的进程：  
![在这里插入图片描述][20210429110221175.png]  
在这个命令中，-e选项表示列出全部进程，-eo pid，cmd选项表示  
我们需要的信息。执行结果的一部分示例如表所示。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
在ps返回的结果中，每一行代表了一个进程。每一行又分为两列。  
第一列是一个整数，即进程ID（PID，Process IDentity）。每一个进程都有唯一的PID来代表自己的身份。无论是内核，还是其他进程，都可以根据PID来识别出该进程。  
第二列CMD是进程所对应的程序，以及运行时传递给程序的参数。第二列中有一些由中括号括起来的。它们是内核的一部分功能，被打扮成进程的样子以方便操作系统管理。  
此外，PID为1的进程一定是由/sbin/init程序运行而形成的。当Linux启动的时候，init是系统创建的第一个进程，这个进程会一直存在，直到关闭计算机。

其他的进程就是常见的应用进程，例如cron进程和ps进程。  
同一个程序可以执行多次，从而产生多个进程。  
即使一个程序的进程还没有完成，我们还是可以用同一程序运行出更多的进程。  
操作系统的一个重要功能就是管理进程，为进程提供必需的计算机资源，比如，为进程分配内存空间，管理进程的相关信息等。

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