进程和 fork
1. 进程的标识符 PID
每个进程都有一个唯一的进程标识符（PID），用于在系统中唯一标识该进程。
1.1 查看系统内所有的进程
在 Linux 中，可以通过 ps 命令查看进程的 PID。
命令：ps
选项：ajx 等
ps -ef # 显示所有进程的详细信息
ps aux # 显示所有用户的所有进程，重在用户
# 我们一般上使用 ps ajx 查看系统内所有的进程
ps ajx # 查看系统内所有的进程 ./proc # 以运行 proc 进程为例
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep
隐藏掉 grep 关键字的命令：ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep
&&表示左边的命令执行完，紧接着执行右边的命令。左边的命令执行成功，右边的命令也要执行成功。ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc该命令得到的结果会同时显示 proc 进程和 grep 进程。- 如果我们不想显示 grep 进程，可以使用管道，对上述命令的结果再进行 grep。
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep proc | grep -v grep-v选项配合管道，在已有的结果中反向匹配 grep，可以隐藏掉 grep 关键字。
1.2 kill 杀掉进程
命令：kill [选项] PID
常用选项：-9
功能：
kill PID是温柔的杀掉这个进程。kill -9 PID向指定 PID 的某个进程发送 9 信号，暴力的杀掉这个进程。
演示：
kill -9 760776 # 强制终止 PID 为 760776 的进程
当使用不带 -9 选项的 kill PID 命令时，默认会向目标进程发送 SIGTERM 信号（信号编号为 15）。与 kill -9（发送 SIGKILL 信号）的强制终止不同，SIGTERM 是一种更友好的终止方式。
kill PID（默认发送 SIGTERM）的行为：
- 允许进程优雅退出：进程收到 SIGTERM 后，可以执行清理操作（如保存数据、关闭文件、释放资源等），然后自行终止。
- 进程可以捕获或忽略 SIGTERM：如果进程代码中注册了信号处理函数（例如通过 signal() 或 sigaction()），它可以自定义对 SIGTERM 的响应（如延迟退出或忽略信号）。
- 可能无法立即终止进程：如果进程因代码缺陷、死锁或无限循环无法响应 SIGTERM，它可能不会退出。此时需手动使用
kill -9强制终止。
kill -9 PID（发送 SIGKILL）的行为：
- 强制立即终止进程：SIGKILL 信号无法被进程捕获或忽略，操作系统会直接终止进程，不给进程任何清理的机会。
- 可能导致资源泄漏：进程无法执行清理操作，可能导致临时文件残留、内存未释放、文件句柄未关闭等问题。
- 适用于无响应的进程：当进程对 SIGTERM 无响应时，SIGKILL 是最后手段。
使用建议：
- 优先使用默认的
kill PID（SIGTERM）：给进程机会优雅退出，避免数据丢失或资源泄漏。 - 仅在必要时使用
kill -9（SIGKILL）：例如进程完全卡死、僵尸进程或恶意进程等情况。
扩展知识：
- 查看所有信号：
kill -l - 常用信号：
- SIGHUP (1)：挂起（重新加载配置）
- SIGINT (2)：中断（同 Ctrl+C）
- SIGTERM (15)：终止
- SIGKILL (9)：强制终止
通过合理选择信号，可以更安全地管理系统进程。
1.3 获取进程的 PID
Linux 操作系统中，描述系统进程的 task_struct 是用双向链表组织的。
- 进程的 PID 也是进程的属性，因此 PID 属性存在于进程的 task_struct 中。
ps ajx的本质作用，相当于遍历 task_struct 的链表，拿到所有进程的相关属性，打印出来，供我们查看 PID。- 既然可以拿到所有进程的相关属性，那么对于一个特定进程的 PID，应当也是可以获取到的。
操作系统不相信任何用户，不能让用户通过 task_struct.pid 的方式通过结构体直接访问 PID。因此操作系统一定对外提供了系统调用接口，供用户访问 task_struct 内描述进程的相关属性。
在 Linux 中，可通过系统 getpid() 或 getppid() 调用获取进程的 PID：
pid_t getpid()：获取当前进程的 PID。- 进程都是被创建出来的，一个进程除了有自己的 PID，也有自己的父进程，父进程的 PID 也可以被获取到。
pid_t getppid()：获取父进程的 PID。- 返回值类型均为 pid_t，本质是 int 的类型别名。
typedef int pid_t
getpid 代码演示
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main() {
pid_t pid = getpid();
pid_t ppid = getppid();
// pid_t 本质是有符号整数
while(1) {
printf("I am a process, my ID is %d, my parent ID is %d\n", pid, ppid);
sleep(1);
}
}
我们可以手动将 ps ajx 配合 grep 命令，制作一个系统内进程监控脚本，监控系统内进程的信息。
while :; do
ps axj | head -1 ;
ps ajx | grep proc | grep -v grep | grep -v .vscode;
sleep 1;
done
sleep 1：每秒执行一次。ps axj | head -1 ; ps ajx | grep proc | grep -v grep | grep -v .vscode：过滤我们的 proc 进程，不显示 grep 命令本身的进程和 .vscode 远程连接的进程。- 我们可以手动在终端中执行以上命令。也可以将以上内容保存在一个后缀为.sh 的文件中，这里我选择保存为一个 sh 文件，并命名为 monitor.sh。
保存后，为当前文件增加执行权限后并执行：
chmod u+x monitor.sh # 增加执行权限
bash monitor.sh # 执行脚本
可以看到：
- 进程启动前，检测脚本未检测到任何内容。
- 进程启动后，检测脚本就检测到了我们启动的 proc 进程。
- 且 ps ajx 查看到的 PID 及 PPID 和 getpid() 和 getppid() 获取到的内容完全一致！！！
- 这样我们就可以通过 PID 来对进程进行管理了。
1.4 bash 与父子进程
观察以下现象，注意 proc 进程的 PID。
- 一个程序，多次启动时 PID 在变。
- 这是因为：PID 只保证在每次运行期间有效，下次启动，操作系统为该进程分配的 PID 可能会变化，这是正常的。
- 一个程序，多次启动时的 PID 在变，其父进程的 PID 一直不变。这是为什么？父进程的 PID 一直是 761739，这里的父进程是什么进程？
- 这里可以清楚的看到，761739 在这里就是我们的命令行解释器 bash!
我们来查看 PID 为 761739 的进程：
ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 761739
Bash（命令行解释器）本身是一个进程，用户执行的命令（如 ls、./a.out 等）均为 Bash 的子进程。Bash 的 PID 在单次登录会话中固定，但重新登录后会变化。
我们在命令行解释器 bash 中，执行的所有指令（包括命令和./执行的程序）的父进程，就是 bash 本身。
- 每次重新登陆 xshell 时，Linux 系统会单独为我们创建一个 bash 进程，即为我们创建一个命令行解释器进程，帮我们在显示器中打印出命令行终端。
- 我们在命令行解释器中，执行或输入的所有指令和程序，bash 都会为我们创建进程，这些程序都是 bash 的子进程。 bash 只负责命令行解释，具体执行出问题时，只会影响对应的子进程。因此在同一登陆状态下，指令和程序的父进程 PID 不变，也就是 bash 的 PID 不变。
- 一个 bash 有一个 PID，多开多个 bash，会有多个 bash PID。
- 进程主要维护父子关系。只有父子进程，没有母子进程或爷爷进程。
./操作执行程序或者命令时，就是操作系统为我们创建了一个进程，在操作系统上运行。
父子进程关系特点：
- 父进程负责管理子进程。
- 子进程退出后，父进程需要通过 wait 系统调用回收资源。
- 若父进程先退出，子进程会成为孤儿进程，由 init 进程（PID=1）接管。
2. 创建进程与 fork
2.1 fork 创建子进程
以上我们介绍了获取父子进程 PID 相关的知识，那么我们用户可否创建一个进程呢？
我们目前已知的创建进程的方式：
./exe操作，执行程序或者执行命令时，就是操作系统为我们创建了一个进程，在操作系统上运行。这是指令级别创建进程。
这种方式是我们手动创建进程，那么可否在程序运行时创建进程呢？
Linux 内核为我们提供了系统调用 fork()，用于为当前进程创建一个子进程。这是代码级别创建进程。
fork 是 Linux 中创建子进程的核心系统调用，可以在程序运行时创建进程，其独特的行为常引发初学者的困惑。
使用 man 手册查看 fork 函数的用法
man 2 fork
-
函数名和功能：fork
- 为当前调用 fork 的进程创建一个子进程。
- 新进程为子进程 (child process)，当前调用进程为父进程 (parent process)。
- 子进程复制父进程的代码、数据、堆栈和打开的文件描述符。
-
头文件：<sys/types.h> 和 <unistd.h>
-
参数类型：void 无需传参
-
返回值：类型为 pid_t，这里 pid_t 是 int 的类型别名。
typedef int pid_t -
根据文档介绍，
- 创建子进程失败时，在父进程（原进程）中返回 -1，并设置 errno。
- 成功时：
- 在父进程中返回子进程的 PID。
- 在子进程中返回 0。
fork 的简单使用：
int main() {
printf("before: only one line\n");
fork();
printf("after: only one line\n");
sleep(1);
}
这里我们不免会有疑惑？？？
==fork 之后的代码，执行了两次！！！==这是为什么？
先给出结论：fork 之后的代码，父子进程是共享的，既然父子进程各有一份代码 (共享)，那 fork 之后的代码执行了两次就可以说得通了。
再看如下代码和现象：
- 这里 ./proc 是当前进程，fork 之后，现象是：代码被一分为二了，两个循环各自在执行，父子进程各执行一个循环。这说明，id == 0 和 id > 0 同时成立了，且根据进程的 PID，我们可以得出：
- 执行 fork 之后当前进程是父进程。
- 其子进程是由 fork 创建的。
- 当前进程（调用 fork 的进程）的父进程是 bash 进程。
- fork 之后一定存在两个进程，存在两个执行流。
以上种种现象，我们不免产生很多疑问？？？
- 为什么 fork 要给子进程返回 0，给父进程返回子进程的 pid 呢？为什么父子进程的返回值不同呢？
- 一个函数，怎么会有两个返回值，如何做到返回两次呢？
- 变量 id 接收 fork 的返回值，为什么一个变量可以有两个不同的值？
- fork 函数内究竟做了什么？
这些问题我们后文会一一解答。
2.2 fork 困惑的解释
结合 fork 的翻译，分支，分叉，表示我们的代码在 fork 这里要进行分叉。
0. fork 的工作原理
- 创建子进程的 PCB：内核为子进程分配新的 task_struct。
- 复制父进程上下文：子进程继承父进程的代码段、数据段、堆栈和文件描述符表。
- 分流执行：fork 返回后，父子进程从同一位置继续执行，但通过返回值区分逻辑分支。
1. 为什么给子进程返回 0，给父进程返回子进程 PID
**结论：**一般而言，fork 之后的代码，父子共享。
解答这个问题，先思考我们为什么要创建子进程？
- 是为了让父子进程协作，执行不同的事情，因此需要想办法让父子进程执行不同的代码块。为了让父子进程协同，执行不同的执行流，就设计了 fork 返回值要不同。
为什么要父子进程要分别返回不同的值？
- 是为了在 fork 之后，可以根据不同的返回值区分父子进程，来让父子进程执行不同的代码片段。
- 返回不同的返回值，是为了区分。让不同的进程执行流，执行不同的代码块。
为什么给子进程返回 0，给父进程返回子进程的 PID？
因为：
- 一个子进程只会有一个父进程，一个父进程可能会有多个子进程。
- 父进程需要管理多个子进程，通过子进程的 PID 来区分不同的子进程。
- 父进程需要区分不同的子进程：给父进程返回子进程的 PID，用 PID 来标识子进程的唯一性，方便直接通过不同的 PID，对不同的子进程直接做控制。
- 子进程只需确认自身身份，返回 0 简化逻辑判断。
- 一个子进程只有一个父进程。标识子进程，只需要在父进程内判断 fork 的返回值是否 PID == 0 即可标识子进程。子进程得到父进程的 PID，只需要调用 getppid() 函数即可。
2. 一个函数如何做到返回两次？如何理解？
2.1 为什么父子进程共享 fork 之后的代码
原因如下：
- 进程 = 内核数据结构 + 代码和数据。
- fork 创建子进程，也就是内存中多了一个进程，Linux 操作系统会为该子进程创建一个 task_struct。
- 创建子进程前，该进程（父进程）有自己的 task_struct 和代码和数据。创建子进程，操作系统层面只创建了子进程的 task_struct，子进程没有自己的代码和数据，只能和父进程共享同一份代码。因此 fork 之后，父子进程代码共享。
- 代码加载到内存后，代码是不可修改的。能改的只有代码中的数据。
- 因此 fork 之后，父子进程共享后续的代码。
- 数据呢？(下文解释)
fork 之后，父子进程共享后续的代码。fork 之后父子进程执行的代码一样，那我们为什么要创建子进程呢？我们的目的就是为了让父子进程协同起来分别做不同的事情。因此需要想办法让父子进程执行不同的代码块。fork 函数具有不同的返回值，就是为了让父子进程执行不同的代码块而设计的。
那么 fork 如何设计实现了以上功能？
2.2 理解一个函数做到返回两次
代码示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main() {
printf("begin:我是一个进程，pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
pid_t id = fork();
if(id == 0) {
// 子进程分支
while(1) {
printf("我是子进程，pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
} else if(id > 0) {
// 父进程分支 成功时，子进程的 PID > 0 返回到父进程
while(1) {
printf("我是父进程，pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
} else {
// error
}
return 0;
}
- fork 有不同的返回值？一个函数如何做到返回两次？
解释如下：
- 任何一个函数在即将 return 时，这个函数的核心功能就已经完成了。
- fork 是一个函数，内部的实现是要创建子进程。fork 函数做的关键步骤：
- 为子进程创建 task_struct（PCB）。
- 用父进程的字段初始化子进程。
- 使父子进程的 task_struct(PCB) 指向同一块代码和数据，父子进程仅实现代码共享。
- 子进程对父进程中的数据，实行的是，读时共享，写时拷贝。
- 完成所有工作后 return。
- return 之前，父子进程都已存在，各自有独立的 task_struct，且可以被 CPU 调度。此时在临界执行 return 之前，父子进程的 task_struct(PCB) 都已存在了，父子进程也都已存在。
return 执行之前父子进程均已创建完成，且可以被 CPU 调度。创建子进程后，父子进程代码共享，return 语句也属于代码，因此父子进程共享 return 语句。CPU 分别调度父子进程，父进程和子进程分别执行了 return，就实现了一个函数返回两次。
fork 在即将执行 return 之前，创建子进程的工作已经完成了，子进程也允许被 CPU 调度了，之后的 return 代码父子进程共享，父和子进程分别执行 return，因此 fork 函数就实现了返回两次。
2.3 fork 函数内做了什么？
综上我们可以总结出 fork 内部究竟做了什么：
- 创建子进程。
- 为子进程创建 PCB。
- 用父进程的字段初始化子进程。
- 让父子进程实现代码共享。
- …其他工作。
3. 一个 id 变量里面怎么会有两个值
任何平台下，进程在运行时具有独立性！进程的运行互不干扰。
-
数据有可能会被修改，代码是相同的且不可被修改。一个进程修改了数据，由于代码是相同的，可能会影响到另一个进程的运行。因此父子进程不能共享同一份数据。
- 代码不可被修改，因此共享代码不会影响父子进程的独立性。
-
一个 id 变量里面有两个值的现象，实际是通过写时拷贝实现的。
-
子进程刚被创建时，代码和数据都是父子进程共享的。 代码加载到内存中后，是不可修改的，因此代码直接父子共享。
-
子进程在读取父进程的数据时，数据也是共享的。当子进程尝试修改父进程的数据时，操作系统为子进程新分配一块内存空间，让子进程对待修改数据的拷贝进行修改，要修改多少内容，就申请多少空间，从而不会影响到父进程的数据，该过程称为写时拷贝。
-
以后子进程只要修改父进程的数据，操作系统都会给子进程在内存中新拷贝一份，供子进程修改。
以上称为父子进程之间，数据层面的写时拷贝，写时拷贝保证了父子进程间数据的独立性，避免了父或子进程修改数据后对子或父进程的数据产生影响。
3.1 写时拷贝
fork 之后父子进程共享代码段，但数据段通过写时拷贝（COW——Copy-On-Write）技术实现高效复制。
原理：
- 子进程创建时，与父进程共享物理内存。
- 当子进程尝试修改内存时，内核会为该内存页创建副本，确保修改的独立性。
优点：
- 减少内存全量复制开销。
- 提高 fork 的执行效率。
3.2 fork 中的写时拷贝
- return 时，return 是对 id 做写入。
- return 语句父子进程共享，父子进程分别 return。
- 父进程 return 时，直接对 id 做写入；子进程 return 时，对 id 做写时拷贝。
3. 进程与调度器
问题：fork() 后父子进程谁先运行？
当调用 fork() 创建子进程后，父子进程会被同时放入操作系统的就绪队列中等待执行。它们的运行顺序由操作系统的进程调度器决定，用户无法预测或干预。这是操作系统的核心设计原则之一：调度器尽可能保证公平性，而非确定性。因此 fork() 后父子进程谁先运行，无法确定，取决于调度器。
调度器的工作原理
- 进程的组织形式
所有进程的 PCB（进程控制块）以数据结构（如链表、队列、树等）组织在内存中，例如：
- 就绪队列：等待 CPU 时间的进程。
- 阻塞队列：等待 I/O 或其他资源的进程。
- 调度器的核心任务
调度器从就绪队列中选择一个进程分配 CPU 时间，具体流程如下：
- 触发时机：时钟中断、进程阻塞、进程退出等。
- 选择算法：通过调度算法（如时间片轮转、优先级调度）选择下一个进程。
- 上下文切换：保存当前进程的 CPU 状态（寄存器、程序计数器等），加载目标进程的上下文。
常见的调度算法
| 算法 | 特点 |
|---|---|
| 先来先服务 (FCFS) | 简单，但可能导致饥饿现象 |
| 时间片轮转 (RR) | 每个进程分配固定时间片，公平性强，适合交互式系统 |
| 优先级调度 | 高优先级进程优先执行，需防止低优先级进程饿死 |
| 多级反馈队列 | 结合时间片和优先级，动态调整进程优先级，兼顾响应时间和吞吐量 |
为什么单核 CPU 能同时运行数百个进程？
- 并发假象
调度器通过快速切换进程（纳秒级时间片）营造并行假象。例如：
- 进程 A 运行 5ms → 切换到进程 B 运行 5ms → 切换回进程 A……
- 人类无法感知微小的时间片切换，因此感觉多个进程在同时运行。
- 父子进程的竞争
在 fork() 后，父子进程进入就绪队列，可能发生以下情况：
- 父进程先获得 CPU 时间（常见，因父进程可能处于活跃状态）。
- 子进程先获得 CPU 时间（可能因父进程被阻塞或时间片耗尽）。
- 父子进程交替执行（取决于调度策略和系统负载）。
4. bash 与 fork
bash 也是通过 fork 创建子进程的
Bash 执行命令的流程
当在 Bash 中输入命令（如 ls -l）时，Bash 的底层操作如下：
fork()：创建子进程- 子进程复制父进程（Bash）的内存、文件描述符、环境变量等。
- 优化技术：写时复制 (Copy-On-Write)，仅在数据被修改时复制内存，减少开销。
exec()：加载新程序- 子进程调用 exec() 系统调用，用目标程序（如 /bin/ls）替换当前内存空间。
wait()：父进程等待- Bash（父进程）调用 wait() 阻塞自身，直到子进程结束并回收资源。
- 若未调用 wait()，子进程退出后会成为僵尸进程（Zombie），占用系统资源。
5. 结语
进程是操作系统资源分配的基本单位，而 fork 作为创建子进程的核心机制，通过代码共享、写时拷贝和调度器的协同工作，实现了高效的多任务管理。理解父子进程的关系、fork 的分流特性以及调度器的随机性，是掌握进程管理的关键。无论是 bash 执行命令时的隐式 fork，还是程序内显式创建子进程，本质都在通过进程的独立性完成并发任务。写时拷贝技术平衡了性能与资源隔离，而调度器的公平策略让单核 CPU 也能营造并行假象。希望本文为你揭开了进程与 fork 的神秘面纱。
