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Linux：进程概念详解

news 来源：原创 2025/5/18 20:32:31

进程概念详解

一、进程的基本概念

进程在书本上的定义是：计算机中正在运行的程序实例。仅此描述可能让很多人感到困惑。

我们磁盘上存储着.exe文件，启动文件时，文件会从磁盘加载到内存，由CPU对文件的数据和代码进行运算。但进程并非仅仅是数据和代码。

在计算机中有许许多多个应用程序在指向，有些程序可能是新执行进来的，有些程序可能是执行完了将要结束，可能还有些程序需要阻塞等待。有这么多种程序也有这么多种情况，那么操作系统是需要对这些程序进行管理，但又应该怎么管理呢？

计算机中有众多应用程序，它们的执行情况各不相同，操作系统需要对这些程序进行管理。每个程序都有各种属性，如代码地址、数据地址和最重要的ID（用来标识进程的唯一标识符）。操作系统将这些属性通过struct整合，用来描述一个应用程序当前的状态，并且每个struct都有一个next指针指向下一个整合属性，从而将对进程的管理转化为对链表的管理。我们把每一个struct都称之为内核数据结构对象

因此，进程 = 内核数据结构对象 + 数据和代码。

二、认识进程

进程的计算机业里统称为Process Control Block（PCB）.

PCB通常包含以下内容：

进程状态：如就绪、运行、阻塞等。
进程ID：用来表示进程唯一性的标识符。
程序计数器：指示进程下一条指令的地址。
CPU寄存器：保存进程在执行过程中使用的寄存器内容。
内存管理信息：如进程的地址空间、页表等。
调度信息：包括优先级、调度队列等信息。

在Linux中，PCB具体指的是task_struct，以下是其部分源代码

struct task_struct {

    volatile long state;  // 进程状态

    struct thread_info *thread_info;  // 指向线程信息的指针

    struct mm_struct *mm;  // 进程的内存描述符

    struct files_struct *files;  // 进程打开的文件描述符

    struct fs_struct *fs;  // 进程的文件系统信息

    struct signal_struct *signal;  // 信号处理相关

    struct sighand_struct *sighand;  // 信号处理程序

    struct task_struct *parent;  // 父进程

    struct list_head children;  // 子进程链表

    struct list_head sibling;  // 同级兄弟进程链表

    pid_t pid;  // 进程标识符

    pid_t tgid;  // 线程组标识符（线程的主线程）

    int exit_state;  // 进程退出状态

    unsigned long flags;  // 标记进程状态的标志位

    unsigned int prio;  // 进程优先级

    unsigned int static_prio;  // 静态优先级

    unsigned int normal_prio;  // 正常优先级

    unsigned int rt_priority;  // 实时优先级

    struct sched_entity se;  // 调度实体

    struct mm_struct *active_mm;  // 活动的内存描述符

    // 其他许多字段...

};

三、查看进程信息

（一）通过系统调用函数获取

getpid函数是一个系统调用函数，用于获取当前进程的进程ID（PID，Process ID）。

例如，我们可以在Linux中编写一个简单的死循环输出打印的程序，执行程序后，再打开一个Linux窗口，使用ps ajx | head -1 && ps axj |grep mycode命令显示当前系统中运行的进程信息。可以看到循环中输出的pid值与显示的pid值正好对应。

（二）通过/proc系统文件查看

我们还可以通过/proc系统文件查看进程信息。例如，使用ll /proc/9430 -1命令查看当前进程包含的内容，其中exe指的是当前进程对应的可执行文件，cwd表示当前进程运行所处的文件的绝对路径。这也解释了为什么通过fopen函数创建文件时，如果不带上绝对路径，文件就会在当前路径下创建。

此外，在使用ps ajx命令时，除了显示PID还有一个PPID，PPID是当前进程的父进程ID。我们可以通过调用getppid()函数查看当前进程的PPID。

通过上图运行可以看到，我们一直运行mycode的文件时，它的PID是依次递增的，但一直不变的是PPID。那mycode的PPID又是谁呢？

通过ps ajx命令观察到，PID为8729的进程所代表的名称为 bash。

那么 Bash 在Linux中是一个命令行解释器，用于解释用户输入的各种命令比如ls，pwd等。从中不难得出一个结论：我们历史上所执行的指令，工具，以及自己编写的程序，只要运行起来就都是进程。

四、创建子进程

在Linux中，有一个系统调用接口fork()用于创建子进程。

fork函数创建子进程后，子进程将继承父进程的代码，并且子进程将拥有一个唯一的进程ID。fork函数的返回值为pid_t，pid_t其实是被typedef过的int。

（一）fork()函数的使用示例

分析上图代码，一开始我们输出当前进程的PID和PPID，接着通过fork进行创建子进程后再次打印PID和PPID，我们会发现此时除了第一条打印的语句我们理解，还多了一条打印的语句。并且观察PID，会发现PID为 19215 的PPID正是一开始打印的PID 19214，那么就能够证明了fork会创建子进程，并且子进程会继承父进程fork()之后的代码，所以会打印两句输出语句。

调用fork()创建子进程后，返回值id会根据是父进程还是子进程进行区分：子进程返回的id为0，父进程返回的id是子进程的PID。

那这里可能就会产生一些疑惑。1.为什么fork给父进程返回的是子进程的PID，而子进程返回0。 2.为什么一个 fork() 函数会返回两次。 3.为什么一个id变量，即==0，又满足>0,if else if 同时成立。

（二）fork()函数的返回值及原因分析

问题1：

对于为什么fork给父进程返回的是子进程的PID，而子进程返回0。这是因为在所有进程就类似于一个进程树。

对于父进程来说，我需要知道我的子进程PID是什么，以进行区分因为一个父进程可以有多个子进程。对于子进程来说，我没有子进程，只需要返回0即可。那可能会有疑惑，那我子进程是怎么找到父进程的呢？其实在之前的代码就可以知道，是有一个系统调用接口 getppid() 就可以知道自己的父进程是谁。

所以对于父子进程来说，是一个 1:n 之间的关系。

问题2：

为什么一个 fork() 函数会返回两次呢？其实这个问题也很好理解

那么在fork函数内会申请新的pcb，malloc一块新的空间给子进程以及拷贝父进程pcb，那么此时子进程已经创建，就会和父进程一起执行代码，到最后返回pid。所以并不是一个函数返回两次，而是有两个进程在执行同一段代码，子进程返回0，父进程返回子进程的pid。

问题3：

为什么一个id变量，即==0，又满足>0,if else if 同时成立。在讨论这个问题之前，我们先想一下，我此时同时打开了抖音以及微信，如果微信崩了，会不会影响抖音？显然是不会的，那么就可以得出一个结论，进程是具有独立性的。

父进程创建子进程后，两个进程同时指向一份代码，但这部分代码是只读的。如果父子任何一方，对数据进行修改，那么操作系统会把被修改的数据在底层拷贝一份，让目标进程修改这份拷贝。这种操作称之为写时拷贝

（三）实验验证进程的独立性和写时拷贝

gval是一个全局变量，父子进程都可以看到，当我们fork之后，子进程会开始对gval值进行修改，而父进程只对gval值进行查看。并且通过运行代码很明显能看到，子进程修改了gval值后，父进程的gval值并没有发生改变，这更加证明了父子进程之间是相互独立，并且如果父子一方对数据进行修改并不会影响到另一方。

那么本片文章到这里就结束了，感谢各位观看！！！