【Linux从入门到精通】进程的基本概念

川长思鸟来 2024-04-22 22:16 6阅读 0赞

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> 我们通过对上篇文章[冯诺依曼体系结构][Link 1]对硬件进行讲解后， 本篇文章会对进程进行深入讲解。同时会讲解PCB（进程控制块）。希望本篇文章内容会对你有所帮助。

> **文章目录**
> 
> 一、再次理解操作系统
> 
> 1、1 操作系统的作用
> 
> 1、2 操作系统的管理
> 
> 二、进程基本的概念
> 
> 2、1 什么是进程
> 
> 2、2 进程控制块 PCB
> 
> 2、3 查看Linux上的进程
> 
> 2、4 再次理解进程 
> 
> 2、5 task\_struct内容分类
> 
> 2、5、1 进程标识符 PID
> 
> 2、5、2 退出码
> 
> 三、总结 
> 
> --------------------
> 
> **🙋♂️ 作者：@Ggggggtm 🙋♂️**
> 
> **👀 专栏：Linux从入门到精通 👀**
> 
> **💥 标题：进程的基本概念 💥**
> 
>  **❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️**
> 
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## 一、再次理解操作系统 ##

> 在学习进程之前，我们先来理解一下操作系统。我们学习完冯诺依曼体系结构后，知道计算机是由一个个硬件组成的。只有一堆硬件，计算机可以运行起来吗？答案是不可能的。还需要结合软件才能运行起来。例如最重要的软件：操作系统。
> 
> 前面的文章中我们提到，操作系统**是一款管理软硬件的软件**。我们这里就有很多问题：操作系统是管理哪些软硬件呢？操作系统为什么要管理呢？操作系统是怎么进行管理的呢？我们接着往下看。

### 1、1 操作系统的作用 ###

> 我们先来看一张图：
> 
> ![3db153b2c34b461eb68dde82e45f083f.png][]
> 
> 我们用户是不会直接跟底层的硬件打交道的。首先，新手用户不懂底层硬件的使用。其次，底层硬件学习起来成本太高。我们所使用的都是可视化界面，一个个软件。而软件是怎么跟底层的硬件打交道的呢？原因是中间有一个操作系统。
> 
> 通过上图我们看到，我们作为用户都是在向计算机使用简单操作或发送许多指令，达到我们使用计算机的目的。而我们的每个操作是要**贯穿操作系统**，**操作系统经过一系列操作将我们的指令“翻译”成底层硬件认识的指令**，进而送达硬件部分。从这里我们了解到，操作系统有连接上层用户软件和下层驱动和硬件的作用。
> 
> 一个个硬件放在那里是不能运行起来的，他们之间需要产生联系。操作系统就是**对下要管理好各种驱动程序和各个硬件资源**，为**上层的软件提供一个良好的运行环境**。

### 1、2 操作系统的管理 ###

> 在上节图片中看到，操作系统的主要的四个功能：**内存管理**、**进程管理**、**文件管理**、**驱动管理**。我们发现，操作系统主要就是进行**管理**的。那**到底是怎么管理的呢**？
> 
> 在这里举一个例子：学校管理学生。当一个学校只有几个学生时，那这个学校管理起来就很容易，并且可以很容易的记住这几个学生的所有信息。当学校有几千名甚至上万名学生时，管理起来似乎就并没有那么容易。为了更好的管理学生呢，学校会将所有学生的各种信息、属性统计起来，放在一张表格中。当需要看某个学生的成绩时，直接通过该同学的信息属性直接筛查出来即可。我们发现这样管理似乎就简单起来了。
> 
> **操作系统的管理也正是如此**。对比上述的例子，我们知道操作系统中软硬件资源多而复杂（学生很多），为了**更好的管理这些软硬件资源**，可以**先**将这些软硬件资源**进行描述**（学生入学填写各种属性、信息），**再**通过各种高效的数据结构将他们**组织**起来（放到一张表格中，需要时可通过筛查直接找到）。

> 通过上面的描述，我们总结***管理其实就是先描述，后组织***。这里我们再引入进程。那操作系统是怎么对进程进行管理的呢？我们可以直接理解操作系统是对进程先进行描述，再把进程组织起来。我们接下来进入我们主题：进程。

## 二、进程基本的概念 ##

### 2、1 什么是进程 ###

> 我们在自己电脑上任务管理器下就可以查看进程，如下图：
> 
> ![9a56cebd8fa74222a0edfe37b801821d.png][]
> 
> 那到底什么是进程呢？

> 我们在很多地方可能看到：加载到内存中的程序，就是进程。这种概念是正确的吗？我们不妨先接着往下探索一下。

### 2、2 进程控制块 PCB ###

> 在学习进程中，我们都知道**每个进程都会有一个PCB**。为什么呢？PCB又是什么呢？
> 
> 我们上述提到了，操作系统对进程的管理就是先描述，后组织。怎么对进程进行描述的呢？答案就是：**进程控制块PCB是对进程描述的一个结构体**。这里我们知道了PCB是用来描述进程的一个结构体。是为了我们后面对进程更好的组织和管理。

> 在**Linux下描述进程的PCB是task\_struct**。有很多同学会在这里有点搞不清楚了。PCB和task\_struct到底是什么关系呢？这里给大家举一个例子：在现实生活中，我们都知道相亲都靠媒婆。你可能也认识几个媒婆，例如你的邻居王阿姨就是媒婆，我们也叫她为王婆。媒婆是一个统称，王婆就是媒婆中的一个具体的人。同样，**PCB是进程控制块的统称**，**task\_struct就是PCB中的具体的一种进程控制块**。我们知道PCB是描述进程的一个结构体，
> 
> 那么这个结构体中都有进程的哪些属性呢？我们接着往下看。

### 2、3 查看Linux上的进程 ###

> 我们在上面了解到进程后，我们不妨在Linux下查看一下进程。我们先在Linxu下写一个C语言代码，代码如下：
> 
>     #include<stdio.h>                                                                                                                                            
>           
>       int main()    
>       {    
>           
>         while(1)    
>         {    
>           sleep(1);    
>           
>           printf("hello OS,pid";    
>         }                                                                                    
>         return 0;                                                                            
>       }
> 
> 我们写的是一段无限循环的代码。是为了我们后面可以更好的观察进程。我们编译生成 **myporc** 的**可执行程序**。**查看进程的指令是：ps axj | head -1 && ps axj | grep "proc"**。我们可看下图一起理解：
> 
> ![889dd92b4a5349b4b721e45376374561.gif][]
> 
> 当我们结束程序后，我们就会发现进程中就不再有该程序，如下图：
> 
> ![f6a49f062abb477dafe5393fb70f5282.png][]
> 
> 我们曾经**所有运行创建的程序，本质上都是在内村上创建进程**。

### 2、4 再次理解进程 ###

> ***问题回溯：加载到内存中的程序，就是进程吗？***
> 
> 这里举个例子：在清华大学里面的学生就算是清华大学的学生吗？你可能会说是的。那么问题来了。我现在确实是一个河北省的大学生，我现在坐个火车来到清华了，我就是清华的学生了吗？想得美ovo！是清华的学生就应该有清华的学生证。
> 
> 加载到内存中的程序也是一样，**程序确实是程序，但不能称它为进程**。我们上面学到了为更好的控制进程，我们还有PCB来描述进程。加**载到内存中的程序，就是进程这个说法并不准确**。我们目前可理解***进程=程序文件内容+维护进程相关的数据结构***。我们可结合下图理解：
> 
> ![2f707fd23b794c60a4bcaed3c1b0f924.png][]
> 
> PCB就是操作系统给每个进程提供的。在Linux上就会自动创建出struct task\_struct\{\} 结构体。**task\_struct就会包含了进程的所有属性和信息**。
> 
> 有同学就会有所疑惑：***操作系统到底在哪里呢？***注意：操作系统也是一款软件。当我们开机时，我们相当于就是启动了操作系统这款软件，相关内容数据就会加载到了内存中。当然，操作系统也会有其对应的PCB。只不过操作系统这款软件的功能较为强大。
> 
> 当有多个进程时，操作系统就会用搞笑的数据结构将它们组织起来，以便后续的更好的管理。

> 当我们知道进程中还包含了**task\_struct**后，CPU拿数据时，是直接找程序的内容数据，还是找**task\_struct**呢？ 答案是找**task\_struct**。我们看下图：
> 
> ![eea9fe25386a4b79875864e694328696.png][]
> 
> 如上，假如内存中有6个进程。其中每个进程的PCB都有特殊的联系，也就是操作系统见他们组织起来了。***CPU拿数据时，会直接找对应进程task\_struct，这样会更加高效***。为什么呢？因为**task\_struct中包含了*指向内容数据的指针***，**找到了进程对应的task\_struct就可以找到对应的内容数据**！到这里我们知道了PCB中包含了对应的内容数据指针。还有呢？

### 2、5 **task\_struct内容分类** ###

> task\_struct中包含的内容很多，在这里给大家列出主要的内容：
> 
>  *  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。
> 
>  这里**标识符**下面会对齐详解。**状态**有运行状态，阻塞状态等等。**退出码**也会在下发进行详解。**程序计数器**也就是PC指针，该指针存储的是下条指令的地址。**内存指针**我们上面提到了。**上下文数据**和**记账信息**会另写一篇文章对其进行详解，因为上下文数据相对复杂，也比较重要。**I／O状态信息**我们可简单理解为输入输出信息状态及请求。**注意：并不是你在控制I/O，也不是你所写的代码在控制I/O，而是进程在控制I/O**。

#### 2、5、1 进程标识符 PID ####

> 进程标识符PID就是唯一标示一个进程。我们这里有一个函数getpid（）可以直接返回进程的PID，如下图：
> 
> ![7667b6395b0c4b1180c14efb4d1a317a.png][] 我们可结合下面例子一起理解一下。代码如下：
> 
>     #include<stdio.h>    
>     #include<sys/types.h>    
>     #include<unistd.h>    
>         
>     int main()    
>     {    
>         
>       while(1)    
>       {    
>         sleep(1);    
>         
>         printf("hello OS,pid:%d\n",getpid());                                                                                                                    
>       }                                                                                                                        
>       return 0;                                                                                                                
>     }
> 
> 运行结果如下图：![1af93a6465c14a29a54d13b2d536e3dc.png][]
> 
> 当然，我们也**可通过此PID找到该进程，指令为：ps ajx | grep 16940**。结果如下：
> 
> ![096a5a00ee034ed99838d675150a1247.png][]
> 
> 我们也可通过 kill 指令来终止该进程，指令：**kill -9 16940**。结果如下图：
> 
> ![ee12e383d8344ae986f698bae8bbb2ef.gif][]
> 
> **一个进程也是有父进程的，可通过getppid（）函数获得父进程的PPID**。一般在**命令行上运行的命令，其父进程基本上都为bash**。

#### 2、5、2 退出码 ####

> 你有没有想过，在我们所写的代码中，为什么最后都会有一句 return 0呢？return 100 可以吗？这里的 return 的数据就是我们程序结束的结束码，查看结束吗的指令为：**echo $?**。具体如下图：
> 
> ![49b2e8b313234a48be4ab6158e5c268b.png][]
> 
> 注意，**echo $? 是指的最近一次的退出码**。又如下图：
> 
> ![3c64cc723a954d92966958df5ae08963.png][]

## 三、总结 ##

> 本篇文章的内容就讲解到这里。我们来稍微总结一下：我们在讲述进程之前，是学习了冯诺依曼体系结构和操作系统管理，是我们理解起来进程更加容易。而不是突然蹦出来一个概念，显得枯燥难理解。当然，进程中还有很多细节，包括我们还没有讲解上下文数据，后面都会给大家解释。进程是一个十分重要的概念，对我们后面的学习也很重要，我们需要反复阅读，查阅资料去理解进程概念。也希望本篇文章会对你有所帮助，让你有所收获。

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_67596609/article/details/130617078?spm=1001.2014.3001.5501
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