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创建两个进程

2. 实现思路及源代码

2.1 实现思路

2.1.1 fork() 函数

​ fork() 是 Linux/Unix 系统中的一个系统调用，用于创建一个新的进程。这个新的进程（称为子进程）是父进程的复制品，并从 fork() 语句之后开始执行。
fork() 返回值如下：

• 在父进程中：返回子进程的 PID。
• 在子进程中：返回 0。
• 失败时：返回 -1。

2.1.2 思路分析

​ 由2.1.1可知，在处于子进程时，fork返回的PID=0；在处于父进程时，fork返回的PID>0；而实验需要创建两个子进程，也就是在父进程完成第一个子进程创建后，通过if判断语句，判断当前是否处于父进程（PID>0）；如果处于父进程，则再次创建子进程。这样就

举个例子：假设父进程 PID 是 1000，执行的顺序如下：

1. 父进程 1000 调用 fork()，创建 子进程 1 (1001)。
2. 子进程 1 (1001) 进入 if (pid1 == 0) 分支，打印信息后 return 退出。
3. **父进程 1000 继续执行 pid2 = fork();，创建 子进程 2 (1002)。
4. 子进程 2 (1002) 进入 if (pid2 == 0) 分支，打印信息后 return 退出。
5. 父进程 1000 继续执行，打印父进程对应的信息。

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2.2 源代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {pid_t pid1, pid2;pid1 = fork(); // 创建第一个子进程if (pid1 < 0) {perror("fork failed");return 1;}if (pid1 == 0) {// 子进程1printf("Child 1: PID = %d, Parent PID = %d\n", getpid(), getppid());sleep(15); // 保持进程存活return 0;} else {pid2 = fork(); // 创建第二个子进程if (pid2 < 0) {perror("fork failed");return 1;}if (pid2 == 0) {// 子进程2printf("Child 2: PID = %d, Parent PID = %d\n", getpid(), getppid());sleep(15); // 保持进程存活return 0;} else {// 父进程printf("Parent: PID = %d, Child1 PID = %d, Child2 PID = %d\n", getpid(), pid1, pid2);sleep(15); // 父进程也保持存活}}return 0;
}

2.2.1 源代码分析

pid1 = fork(); // 创建第一个子进程

• 第一个 fork() 调用后：

  如果返回 0（子进程）：子进程执行 if (pid1 == 0) 内的代码。

  如果返回非 0（父进程）：父进程继续执行后续代码。

• 此时，进程数量已经变成 2 个（一个是原始父进程，另一个是 pid1 产生的子进程）。

if (pid1 == 0) {// 子进程1printf("Child 1: PID = %d, Parent PID = %d\n", getpid(), getppid());sleep(15);return 0;
}

• 第一个子进程会直接 return，不会继续往下执行 fork() 相关的代码。

pid2 = fork(); // 创建第二个子进程

• 第二个 fork() 调用后：（前提条件是pid1>0，处于父进程）

​ 如果返回 0（子进程）：子进程执行 if (pid2 == 0) 内的代码。

​ 如果返回非 0（父进程）：父进程继续执行后续代码。

此时，此时，进程数量从 2 个变成 3 个：

1. 原始的父进程
2. 第一个子进程（pid1）
3. 第二个子进程（pid2）

2.2.2 源代码测试结果

s:~/os_exp/exp2_process$ ./fork_two_children                       
Parent: PID = 1585110, Child1 PID = 1585111, Child2 PID = 1585112 
Child 1: PID = 1585111, Parent PID = 1585110 
Child 2: PID = 1585112, Parent PID = 1585110  

3. 打印进程树

3.1 tmux操作步骤

3.1.1 启动 tmux

tmux

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3.1.2 分屏操作（Ctrl+b是在告诉系统准备输入一个快捷键）

• 垂直分屏（左右分屏）：

  Ctrl + b，然后按 %
  

• 水平分屏（上下分屏）：

  Ctrl + b，然后按 "
  

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3.1.3 切换窗口操作

• 在不同的分屏间切换：

  Ctrl + b，然后按 方向键（←/→/↑/↓）
  

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3.1.4 在新分屏中运行 pstree

1. 在其中一个分屏中运行：

   ./fork_two_children
   

2. 切换到另一个分屏，运行：

   pstree -p 父进程端口号
   

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3.1.5 退出 tmux

• 关闭当前窗口：

  exit
  

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3.2 打印进程树结果

~/os_exp/exp2_process$ pstree -p 1585110
fork_two_childr(1585110)─┬─fork_two_childr(1585111)└─fork_two_childr(1585112)

4. 源码分析

4.1 Linux0.12中涉及的主要源码

 struct task_struct {/* these are hardcoded - don't touch */long state;     /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */long counter;long priority;long signal;struct sigaction sigaction[32];long blocked;   /* bitmap of masked signals *//* various fields */int exit_code;unsigned long start_code,end_code,end_data,brk,start_stack;long pid,pgrp,session,leader;int     groups[NGROUPS];/* * pointers to parent process, youngest child, younger sibling,* older sibling, respectively.  (p->father can be replaced with * p->p_pptr->pid)*/struct task_struct      *p_pptr, *p_cptr, *p_ysptr, *p_osptr;unsigned short uid,euid,suid;unsigned short gid,egid,sgid;unsigned long timeout,alarm;long utime,stime,cutime,cstime,start_time;struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS]; unsigned int flags;     /* per process flags, defined below */unsigned short used_math;/* file system info */int tty;                /* -1 if no tty, so it must be signed */unsigned short umask;struct m_inode * pwd;struct m_inode * root;struct m_inode * executable;struct m_inode * library;unsigned long close_on_exec;struct file * filp[NR_OPEN];/* ldt for this task 0 - zero 1 - cs 2 - ds&ss */struct desc_struct ldt[3];/* tss for this task */struct tss_struct tss;};

PCB通常包含的内容
进程描述信息	进程控制和管理信息	资源分配清单	处理机相关信息
进程标识符(PID)	进程当前状态	代码段指针	通用寄存器值
用户标识符(UID)	进程优先级	数据段指针	地址寄存器值

• 在多道程序系统中，多个进程都要在CPU上运行，有时还要申请使用其他资源，由于资源的宝贵性，使得并非每个进程都能立即得到资源，从而导致进程之间的竞争（竞争是由两个以上进程以显式或隐式的方式共享资源而引起的状态）。

• 一般情况下进程有三种状态，就绪（资源，CPU），运行（资源，CPU），阻塞（资源，CPU）。

• Linux在每个进程的task_struct结构中，定义了state域来描述进程的调度状态，共有五种，定义如下：

 #define TASK_RUNNING            0   // 进程正在运行或已准备就绪。#define TASK_INTERRUPTIBLE      1   // 进程处于可中断等待状态。#define TASK_UNINTERRUPTIBLE    2   // 进程处于不可中断等待状态，主要用于I/O操作等待。#define TASK_ZOMBIE             3   // 进程处于僵死状态，已经停止运行，但父进程还没发信号。#define TASK_STOPPED            4   // 进程已停止。

4.2 结合源码分析实验代码

4.2.1 进程创建 (fork)

在实验代码中，调用fork()两次，创建了两个子进程。在Linux 0.12中，fork()的执行流程如下：

• 系统调用入口：fork()系统调用会触发sys_fork()函数（在kernel/system_call.s中定义），进而调用copy_process()（在kernel/fork.c中）。

• 复制进程：copy_process()会为新进程分配PCB，即task_struct结构，并从父进程的PCB复制大部分信息（如CPU寄存器、文件描述符等），且会为新进程分配唯一的pid（进程号），将子进程的state设置为TASK_RUNNING（就绪态），表示进程可以被调度执行，同时把新创建的进程加入调度队列，等待CPU调度。

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4.2.2 具体进程状态转换

（1）初始状态

• 父进程处于TASK_RUNNING状态，执行fork()创建Child 1进程。

（2）第一次fork()

• Child 1被创建，其PCB信息从父进程复制，状态为TASK_RUNNING。
• Child 1的pid被分配，ppid指向父进程。
• 由于fork()的返回值不同：
  • 父进程继续执行，并进入下一步创建Child 2。
  • Child 1进入自己的分支，执行printf然后调用sleep(15)，使其进入TASK_INTERRUPTIBLE（睡眠状态）。

（3）第二次fork()

• Child 2被创建，task_struct再复制一次。
• Child 2的pid被分配，ppid仍指向父进程。
• 父进程继续执行，Child 2进入自己的分支执行printf然后sleep(15)，进入TASK_INTERRUPTIBLE状态。

（4）运行状态

• 进程调度器会根据counter字段和优先级选择进程运行。
• **如果时间片耗尽或进程主动sleep(15)，状态转换为TASK_INTERRUPTIBLE**，等待时间到达或信号唤醒。

（5）结束状态

• Child 1和Child 2完成sleep(15)后，调用return 0;，退出进程。
• 在Linux 0.12中，进程退出时：
  • 进入TASK_ZOMBIE状态，等待父进程调用wait()回收资源。
  • 如果父进程没有及时wait()，子进程的task_struct仍然保留在进程表中（僵尸进程）。
• 当父进程执行完sleep(15)后，也会结束，最终所有进程都退出，系统回收资源。

5. 实验过程中遇到的问题及解决方法

问题5.1 fork_two_children.c在运行过程中过快结束，来不及打印

​ 解决方法：调用sleep() 函数让进程进入休眠（sleep）状态，即在指定的秒数内暂停执行，从而支持用户进行进程树的打印操作

问题5.2 单窗口在休眠状态下无法打印进程树

​ 解决方法：学习了tmux操作，通过打开水平窗口，并进行窗口的切换操作，从而通过 pstree -p 端口号 进行进程树的打印操作，详细操作方案可参考3.1内容

6.参考链接

进程概念——PCB详讲

【Linux系列】进程PCB控制管理详解

【linux系统】进程（进程PCB + 进程地址空间+进程控制）