Linux 进程概念与 fork 函数详解

2.2.1 task_struct

在 Linux 中描述进程的结构体是task_struct。task_struct属于 Linux 中内核数据结构，它会被装载到 RAM(内存) 里并且包含着进程的信息。

2.2.2 task_struct 内容分类

PCB 是对操作系统学科的统称，其中struct task_struct对 Linux 进程块具体的称呼。

【标识符】：描述本进程的唯一标识符，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 (可执行程序执行需要对应的数据和代码，所有 PCB 对象必须需要一个指针指向这块空间)。 【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】

总结：进程 = 内核数据结构对象 PCB + 对应代码和数据。

2.3 组织进程

操作系统做管理并不是把你的可执行程序加载进来做直接管理，而是对于 PCB 进行管理。

操作系统对进程进行管理，本质上是对 PCB 做管理，并不关心进程加载内存中代码和数据。只需要找到 PCB 对象，通过 PCB 内存指针找到对应的代码和数据，交给 CPU 处理就行。

每个进程都有属于自己的 PCB，为了更好地管理不同进程的 PCB，一般通过指针将 PCB 进行连接，形成链表。根据不同进程的需求，会采用不同的数据结构进行存储，通过对应指针信息来将它们更好地管理。

其中在 Linux 中task_struct主要是以双向链表形式组织。

2.3.1 不同数据结构配合进程需求

进程管理的关键在于将其放入适合的组织数据结构中。不同的数据结构具有独特的特性，决定了其背后的算法选择，而算法的差异又对应于不同的应用场景。因此，合理的数据结构选择是优化进程管理的基础。

【相关场景】：调度运行进程，本质就是让进程控制块"task_struct"(简历) 进行排队，而不是这个代码和数据在排队，跟面试投简历一般，面试官查看每一份简历。

在操作系统中，可能存在存储进程指针的运行队列和等待队列。如果需要将某个进程移动到特定队列，可以通过修改队列指针的链接结构来实现，从而达到更灵活的进程管理目的。

三、查看进程状态

开机时操作系统（OS）从外部存储设备（如硬盘或固态硬盘）加载到内存中，这是启动过程的一个重要步骤。

3.1 查看所有进程指令

ps ajx 是用于查看系统中所有进程状态的命令。

具体参数含义如下：

• ps：显示当前系统中的进程信息。
• a：显示所有用户的进程（不仅仅是当前用户的进程）。
• j：显示进程的控制终端、进程组等信息。
• x：显示没有控制终端的进程（包括后台进程）。

【场景演示】：这里想拿到头部属性信息和进程信息，可以使用指令级联。通过指令 ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess 查看可执行程序该进程状态信息。

【问题】：为什么会出现 grep 进程信息？

如果指令需要被执行需要变成进程才能运行，grep 指令被执行本质上也是进程被执行，所以 grep 本身这个进程也被查出来。

3.2 /proc 目录

/proc 目录中的文件是内存级文件，关机时会消失，开机后会重新生成。它主要提供动态运行进程的可视化信息。

其中，蓝色表示目录文件，因为一个进程可能包含许多相关信息。我们可以尝试进入这些目录查看具体内容。

【删除执行中程序】

如果删除可执行程序，会发现这个进程依旧运行。

因为原则上一个程序要被变成进程调度，会在内存里面有存在一份。就算你将可执行程序从磁盘上删除了，由于内存存在备份，所以进程还是可以运行。

总结：exe 表示当前进程对应的可执行文件路径，说明进程能够找到自己需要执行的代码（已被可视化展现）。cwd 表示当前进程的工作目录（Current Working Directory）。因此，当你使用 fopen 创建新文件时，默认路径就是当前目录，而这个默认位置正是由该进程的 cwd 决定的。说明这个启动的 myprocess 进程，是由这个指定的绝对路径下的这个程序加载形成的。

四、通过系统调用获取进程标识符

在内核结构体 task_struct 中，存在一个 pid 属性，用于表示进程的唯一标识符。

• pid 是无符号整数类型（unsigned int pid），用于区分不同的进程。
• 它是操作系统封装的一种数据类型，实际对应无符号整数。

用户无法直接访问操作系统内核中与进程相关的 PCB（进程控制块）数据结构。如果用户需要获取进程的 pid、ppid，必须通过操作系统提供的系统调用**getpid()、getppid()**来完成。

4.1 父子进程

如果是 pid 属性表示进程的唯一标识符，那么 ppid 属性表示什么呢？

ppid 的含义：Parent Process ID。

通过结果显示，ppid 属性表示父进程的唯一标识符。可以观察到，在我们的可执行程序中，父进程的 ppid 通常不会发生变化，但是 pid 会发生变化，因为它表示的是基础命令行进程（如 bash）的父进程标识。

4.1.1 父进程意义

在 Linux 权限管理相关内容中，以'王婆和实习生'的例子可以更好地理解为什么 bash 需要创建子进程。

bash 命令行的作用主要有两个方面：

1. 解释命令：将用户输入的指令解析为可执行操作。
2. 阻止非法操作：限制用户进行不符合权限的行为。

每一条指令或可执行程序其实都对应一个独立的进程。因此，bash 命令行会先创建一个子进程来执行对应的指令，而自己则保持运行，等待处理其他命令。

这种设计的优点是：即使子进程崩溃，也不会影响 bash 命令行本身的运行，从而确保可以继续处理其他指令。

4.2 使用系统调用接口 getpid、getppid

按照上述说法，进程每次启动对应 pid 都不一样，ppid 通常不会发生变化。但是当我们重新启动机器时，再次执行该程序，会发现 ppid 发生了变化，可以说明父进程或 bash 命令行在打开机器时候就创建好的进程。

【实时监控脚本】：while :; do ps ajx | head -1 ;ps ajx | grep mycode | grep -v grep;echo "----------------------------";sleep 1;done

如果不想显示与 grep 指令相关的进程信息，可以使用 -v 参数来排除，会过滤掉包含 grep 本身的进程信息。

五、系统调用创建进程

5.1 fork 函数（分叉/创建进程）

用户想创建进程，但是创建进程需要创建内核数据结构，但是用户是没有权限对内核数据结构进行任何的增删查改，用户没有权限在操作系统内新增一个 test_struct，所以操作系统也需要提供相对的系统调用 fork()。

5.2 fork 函数返回值

5.2.1 fork() 的返回值

成功创建子进程时：

• 父进程中：fork() 会返回子进程的 PID（正整数）。
• 子进程中：fork() 会返回数值 0。
• 创建子进程失败时：fork() 会返回 -1 给父进程，表示子进程创建失败。

总结：fork() 有两个返回值，分别传递给父进程和子进程，用于区分执行的上下文（父进程还是子进程），以及处理可能的错误情况。

5.2.2 为什么 fork 可以返回两次

由于子进程会继承父进程的代码，因此 return ret 这一段代码会被父子进程分别执行一次，从而导致两次返回结果。

5.2.3 变量同时接收两个返回值

由于子进程在修改数据发生了写时拷贝，导致了数据存在两份内容，进程具有独立性，父进程和子进程通过 if else 分流去执行共享的代码。

【为父进程返回子进程 PID 和为子进程返回数值 0】

为父进程返回子进程的 PID：通过返回值，父进程可以知道子进程的唯一标识符（PID）。 为子进程返回数值 0：子进程通过返回值知道自己是新创建的进程。

【显示效果】：

5.3 fork() 函数后进程关系

通过我们的实时监控，会发现 PID 和 PPID 是相同的，是存在父子关系。fork 之后，父进程和子进程会共享代码，但各自拥有独立的数据空间。

【创建一个进程的本质】：系统中多了一个新的进程，对应一个新的内核 task_struct。子进程拥有自己的代码和数据空间，但默认情况下，继承了父进程的代码和数据。 【数据加载机制】：

• 父进程的代码和数据是从磁盘加载的，子进程通过 fork 默认继承了这些内容，但有独立的内存空间。 【调用关系】：
• 子进程会获取调用它的父进程的 id 信息 (导致子进程 PPID 为父进程 PID)。

5.4 父子进程运行顺序

当使用 fork() 函数创建出子进程，是先运行子进程还是父进程呢？这里先运行谁，是需要通过调度器去决定的。一般电脑只有单个 CPU，调度器会根据当前进程中选择一个合适的进程放到 CPU 当中，进程之间会竞争 CPU 资源，所以调度器会遵循自己的一套原则来保证进程之间的公平性 (进程优先级、时间戳) 去决定。

5.5 创建子进程意义

如果父进程和子进程执行的后续代码完全相同，就没有实际意义。通常，父进程和子进程会各自执行代码的不同部分：父进程负责处理一部分逻辑，子进程负责处理另一部分逻辑。两个进程并发运行，从而提高程序的整体执行效率。

【问题】：问题在于 fork() 之后，父子进程执行后续代码完全相同，如何分开执行不同模块的功能呢？

fork 之后，父进程和子进程的代码虽然共享，但它们的执行路径可以通过 fork 的返回值来区分，从而保证父子进程执行不同的代码逻辑。

fork 的返回值:在父进程中，fork 返回子进程的 PID（正整数）。在子进程中，fork 返回 0。如果 fork 失败，返回 -1 给父进程。

通过检查 fork 的返回值，可以让父进程和子进程执行不同的代码逻辑，例如：

pid_t pid = fork();
if (pid > 0) {
    // 父进程执行的逻辑
} else if (pid == 0) { 
    // 子进程执行的逻辑
} else {
    // 错误处理逻辑
}

这种方式确保了父子进程可以执行各自的任务，实现功能分工。

5.6 进程具有独立性

任何平台上，进程都具有独立性，这意味着结束了某个进程不会影响其他进程。

在数据结构层面上，进程是并行的，你是你的我是我的；在逻辑上，它们是存在父子关系，但是仅仅是在数据结构指针层面上的关心。由于进程的代码和数据是从磁盘中加载进来的，所以子进程只能用父进程的代码，对于"数据"子进程也必须使用父进程的数据。

理论上，由于代码本身具有不可被修改属性，只有只读属性，所以父子进程共享代码。数据不一样，数据是可以被修改的，这样导致"子进程必须拷贝一份相同的数据"且独立出来。

问题在于父进程的数据可能非常多，但是可能子进程只是共享了其中一部分代码，不一定需要使用到父进程的所有数据。如果子进程无脑将这些数据拷贝过来，会存在大量资源浪费，效率也会大幅度减低。

5.7 Bash 父进程简介

在系统启动时，操作系统被加载到内存，同时负责启动对应的 bash 父进程。当用户在命令行输入指令时，bash 会为每条指令创建一个子进程，由子进程负责执行该指令。即使指令执行失败，也不会影响 bash 父进程的正常运行，这种机制有效保护了 bash 父进程，使其能够专注于命令行解释的核心工作。