【Linux】进程概念、fork() 函数 （干货满满）

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📕 前言

我们已经知道，操作系统进行“管理”的本质是——先描述、再组织。描述是一个面向对象的过程，组织是使用数据结构的过程。而进程也是被操作系统管理的，操作系统也要对其先描述，后组织。
描述无疑就是将进程的各种信息存储在一个结构体里面，描述好之后，将描述进程的结构体用链表（也可能是其他）维护，所以查找、删除进程等等的操作，就变成了对链表的增删查改。所以，管理者实际上不需要和被管理者进行直接交流，只需要对被管理对象的数据做管理！！

操作系统对进程的管理也和上面一样，要“先描述，后组织”。

📕 进程概念

当我们打开QQ、微信 ，是为了和朋友聊天，刷朋友圈等；打开vscode，是为了进行编程或者其他操作……任何启动并运行程序的行为，操作系统都会将程序转换为进程，从而完成特定的任务！！！

如下，磁盘中有某个可执行文件（由于是在磁盘中，所以该文件关机再开机还是保存着的）。可执行文件本质上还是一个文件，也有文件的内容和属性。当我们在Linux 环境下使用 ./a.out 的时候（假设该文件名为 a.out），该文件对应的代码和数据（文件的内容）就会被加载进内存，所以CPU才能访问该文件的代码和数据。
但是，这样就算创建一个进程了吗？

答案是否定的。以学校为例子，如何才能成为一个学校的学生，只要进入学校，在学校自由行走就算是学生了吗？当然不是啦，不然学校的保安、保洁阿姨、参观人员岂不都是学生。是不是学生，最重要的就是学校是否对你进行“管理”——即学校是否拥有你的学籍档案，你的学生信息是否在学校的教务系统里面。

所以，创建一个进程，不仅要将代码和数据加载到内存里面，还要将进程的一些信息存储在结构体里面，并用某种数据结构进行维护，让操作系统进行管理。

如下图，我们绝大多数情况下，都不会只运行一个程序，所以也不会只创建一个进程。用来描述进程的结构体，在Linux环境下被称作 task_struct （早期的进程被称作任务），当然，也可以称它为pcb。每创建一个进程，就会创建一个对应的pcb存储进程独有的一些信息。然后将这些pcb以链表的形式进行维护。
比如现在有一个进程A，要对里面的数据进行修改，那么就会遍历链表，找到进程A对应的pcb，然后通过pcb对其数据进行修改。又或者，现在要运行优先级最高的进程，那么操作系统就会遍历pcb链表，找到优先级最高的进程（pcb里面包含进程的所有属性，当然也包含优先级），确定该进程要被调度，通过pcb找到该进程的代码和数据，将它的入口代码放到CPU里面，这样该进程就被运行了。

所以，对进程的管理，并不是直接对代码和数据进行管理，而是将代码和数据提取出一些特定信息，存入task_struct 结构体里面，成为一个节点，再将节点存入链表，从而管理链表。这样，对进程的管理实际上就是对pcb形成的结构体的增删查改，这样就完成了对进程管理的建模的过程。

综上所述，进程 = 当前进程的代码和数据 + pcb/task_struct
当然，上述都是对软件进行管理的解释，但是，操作系统对硬件进行管理也是类似的。

pcb提取了进程的属性，这个进程的属性和文件的属性有一点点关系，并不大。文件的属性存储的是：这个文件是谁创建的，什么时候创建的，有什么权限等等。但是为进程创建的pcb结构体，是一种内核数据结构，是由操作系统动态创建和维护的，和磁盘文件的属性没有关系。
所以，pcb里面的属性相当于是另起炉灶，里面的属性基本上和文件属性无关。

task_struct 存储的一些信息：

• 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[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
• 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

📕 Linux下查看进程的两种方法

方法一

ps axj | head -1 && ps ajx | grep myprocess | grep -v grep

上述指令是查看自己创建的进程。
如下是系统中所有的进程，ps axj | head -1 是将第一行拿出来，即 PPID 、PID 等等。 PID （process id）表示进程的唯一标识，PPID表示该进程的父进程的唯一标识……这样方便查看各列信息代表上面意思。
&& 是逻辑与，相当于前面的指令执行成功，然后执行后面的。
ps ajx | grep myprocess 代表的是，选出自己创建的进程（可执行文件名要为myprocess，也可以根据自己的文件名修改）。
grep -v grep ，由于进程信息是 ps 打印出来，然后通过管道传给 grep ，由 grep 进行过滤，但是 grep 本身也是一个进程，所以 grep -v grep 是将 grep 的进程信息去掉。

如下图，是上述指令执行结果。我们可以看到，同一个可执行程序被执行了两次，但是其PID是不一样的，说明创建了两个进程。也就是说，如果一个可执行程序可以多次被加载到内存，那么该可执行程序内部就可以有多个进程。

方法二

ls /proc

根目录下的 proc 目录，这个目录和普通的目录并不一样。proc 是一个内存级的文件系统，只有当操作系统启动的时候，该目录才会存在，在磁盘上并不会存在这个目录。
ls -l /proc ，使用该指令查看到的信息如下，proc 目录下面也是一个个目录。目录名字就是特定进程的PID。但是用这个指令查看进程并不直观。所以一般用 ls /proc 。

如下，使用 ls /proc 查看进程就非常直观了。

当然，由于 /proc 目录以及它目录里的内容，是操作系统动态创建的，所以，当一个进程终止之后，它在 /proc 里面对应的文件夹也会被删除。
如下图，当PID为 28201 的进程还在运行的时候，是可以进入 /proc/28201 的，该目录下面存储的是 28201 这个进程的相关信息。但是使用 ctrl+c 终止进程之后，就看不到该目录下任何信息，甚至无法返回上级目录。这是因为这个目录已经被删除，/proc 下没有 28201 为目录名的文件了。

📕 pid() 、ppid() 函数

pid() 函数是获取当前进程的 pid，ppid() 函数是获取当前进程的父进程的 pid 。

如下，linux环境下执行下列的C语言代码，其运行结果如下图。

  1 #include<stdio.h>                                                                                   2 #include<unistd.h>3 int main()4 {5   while(1)6   {7   printf("我是一个进程，我的pid是:%d，我的ppid是：%d \n",getpid(),getppid());8   sleep(1);9   }10   return 0;11 }

./myprocess 这个进程的父进程 28071 ，实际上代表的是命令行解释器，也叫 bash，它本质上也是一个进程。我们在 linux 下敲的命令 ，比如 ls ，ll，grep 等等，都是由 bash 创建子进程去实现的，当然这些命令大部分也是由 C 语言实现，我们自己也可以写类似的命令，只是需要配置PATH（后面的文章会解释）。
这样设置是有很多好处的，比如，上述的这些指令，如果不是由 bash 创建子进程去完成，而是由 bash 本身完成，那么如果运行失败，bash 也就挂了。但是如果是子进程挂了，那么也不影响 bash 的运行。

📕 fork() 函数、父子进程

初识

如果不想用上述的两种方法创建子进程（./myporocess 、 指令），可以使用 fork() 在代码层面上直接创建新的子进程。可以使用 man 手册查看具体细节。

  1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h>3 int main()4 {5   printf("AAAAAAAAAAA:\n");6   fork();7   printf("BBBBBBBBBBB:pid:%d,ppid:%d \n",getpid(),getppid());8   sleep(1);                                                                                                                  9   return 0;10 }

运行上述代码，查看结果如下，说明 fork(); 那一行之后，确实是有两个进程。并且还是父子进程，进程 29333 的父进程 是 29332 。

但是，打印 A 是由哪一个进程执行的呢？ 修改代码并编译运行之后，如下图，可以看出打印 A 是由父进程执行的。

我们可以查看一下上面进程 29758 的父进程 28071 ，它实际上就是 bash 。调用链就是：当运行 ./myprocess ，该程序就成了 bash 的子进程， 然后 ./myprocess 这个进程又创建一个子进程。其实就类似于一个树状结构。当然，进程之间一般只谈父子，不谈爷孙。
此外，父子进程谁先运行，这是由操作系统的调度选择算法来决定的，我们并不能决定。

再理解

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>int main()
{pid_t ret=fork();if(ret == 0){while(1){printf("我是子进程，我的pid是：%d，我的父进程是：%d \n",getpid(),getppid());sleep(1);}}else if(ret > 0) {while(1){printf("我是父进程，我的pid是：%d，我的父进程是：%d \n",getpid(),getppid());sleep(1);}}return 0;
}

执行上述代码，结果如下。但是这里惊奇地发现，if 和 else if 居然同时成立了！！！两个while循环也同时执行了！！！

但是不用惊讶，我们先从上面创建子进程的样例中总结一点东西。

• fork 之后，执行流会变成两个执行流。
• fork 之后，谁先运行由调度器决定。
• fork 之后，在 fork 函数后面的代码，父子进程是共享的，一般通过 if 和 else if 来把执行流分流。(从 A只打印一份，B打印两份 ；两个循环都执行 可以看出)

📕 fork做了什么

前面说到，进程 = 内核数据结构 + 代码和数据 ，所以，fork 创建一个子进程，也必然要 创建对应的pcb 和 加载代码和数据到内存。但是，实际上只需要创建 pcb 即可，子进程的代码和数据是使用父进程的。
如下图，蓝色方框代表父进程的pcb，其代码和数据放在右边的黄色方框（两层来区分代码和数据）。创建子进程之后，只创建了子进程的 pcb ，这个 pcb 绝大部分信息和 父进程的pcb 是一样的，少数不同（pid，ppid 等等），然后用链表连起来。子进程的pcb 里面的指针，指向的代码和数据和父进程的是同一块。

同时，进程的运行是具有独立性的！就好像我们同时打开 浏览器、微信、qq、迅雷，随便关掉一个，并不影响其他的使用。父子进程也是两个进程，所以也具有独立性！从下图可以看出，杀掉子进程，父进程依然在执行。

可是，既然进程是互相独立的，父子进程都有各自的 pcb ，这当然没话说，但是却共用同一份代码和数据？这如何体现独立性呢？
对于代码而言，代码是只读的，无论父子进程都无法修改，所以可以说是独立的；但是对于数据而言，怎么证明它是独立的呢？

我们可以通过下面的代码来证明。先设置一个变量 x ，在一个执行流中，不改变 x 的值，输出其值和地址；在另一个执行流中，改变其值，输出其值和地址。

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>int main()
{int x=100; pid_t ret=fork();if(ret == 0){while(1){printf("我是子进程，我的pid是：%d，我的父进程是：%d，x的值是 %d ,地址是: %p \n",getpid(),getppid(),x,&x);sleep(1);}}else if(ret > 0) {while(1){printf("我是父进程，我的pid是：%d，我的父进程是：%d，x的值是 %d ,地址是: %p \n",getpid(),getppid(),x,&x);x=666;sleep(1);}}return 0;
}

编译运行之后，结果如下，可以看出，当一个进程修改 x 的值之后，并不会对另一个进程产生干扰。
对于数据而言：当有一个执行流想要修改数据的时候，操作系统会自动给该进程触发写时拷贝。写时拷贝就是，当想要写入数据的时候，将这份数据拷贝到另一个地方，将写入的数据放到新的空间，不影响原来的空间。（当然这只是简单概念，具体信息要了解进程地址空间）
但是，变量x 打印出来的地址却是一样的，即使按照写时拷贝的说法，也说不通呀。那么只有一个理由，这里的地址不是物理地址（实际上是进程地址空间 / 虚拟地址）。

📕 如何理解 fork 有两个返回值

当函数内部准备执行 return 的时候，函数的主体功能是已经完成了的。
fork 它本质上就是操作系统提供的一个函数，提供接口给外部使用，创建子进程。当 fork 函数执行到return 语句的时候，主体功能已经完成，子进程已经被创建，共享下面的代码。而return 也是语句，所以 return 既要被父进程使用，又要被子进程使用。相当于return了两次。

至于一个变量存储了两个值，实际上是写时拷贝。