【Linux】进程控制（一）：进程概念和进程创建 fork 和 vfork

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发布时间：2019-05-25

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【Linux】进程概念和进程创建 fork 和 vfork

文章目录

一、进程

1.1 进程概念

程序： 程序是一个文本文件，是静态的

进程： 进程是程序运行起来的一个表现形式，是操作系统分配资源的最小单位，在操作系统内核中，为进程创建一个 task_struct 的结构体，称之为 PCB (Process Control Block, 进程控制块)，它是进程属性的集合。

进程是程序运行起来的一种表现形式，是操作系统分配资源的最小单位。

进程是资源管理的最小单位，线程是程序执行的最小单位。Linux 下的线程本质是用进程实现操作系统通过 PCB 实现对程序运行调度的控制。

1.2 进程控制块 (PCB)

task_struct是 PCB 的一种，是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息。

task_struct中包含的进程信息有：进程标识符 (PID)、状态、优先级、程序计数器、上下文数据、内存指针、I/O 状态信息、记账信息以及其它信息。

(1) 进程标识符PID

描述本进程的位图标识符，在当前操作系统中不会重复

(2) 进程状态

运行状态： 正在CPU上面进行运算

就绪状态： 程序已经准备好了，在就绪队列中等待获取CPU资源

阻塞状态： 等待 I/O 就绪

并发执行： 多个进程使用同一 CPU，每个进程都独占 CPU 一小会儿，操作系统进行进程切换，让每一个进程都可以使用 CPU

并行执行： 多个进程，在同一时刻，每一个进程都独占一个 CPU 进行运算

在操作系统内核中，具体的进程状态有：

R：运行状态

S：可中断睡眠状态
D：磁盘睡眠状态，不可被打断
T：暂停状态
t：跟踪状态，gdb调试程序时进程就处于 t 状态
X：死亡状态
Z：僵尸状态

补充：

“+”： 代表前台进程

没有 “+”： 代表后台进程

fg ： 将最后一次放在后台的进程放入前台来运行

(3) 程序计数器

保存进程即将要执行的下一条指令，为下一次恢复现场使用

(4) 上下文数据

保存上一次执行时寄存器当中的值

补充：

进程在执行的时候，进程会进行切换，切换是操作系统调度的。

在被切换出去的时候，该进程当中的程序计数器会保存程序要执行的下一条指令，上下文信息会保存寄存器当中的值。

再次切换回来的时候，通过程序计数器和上下文信息来恢复之前的场景，继续进行。

(5) 进程优先级PR

PR(new) = PR(old) + NICE ，其中 NICE 的范围在 [-20,19]，一共40个级别。PR 值越大，优先级越低，反之则优先级就越高。top 可以查看系统资源消耗情况。

补充：
top 命令更改已存在进程的 NICE

① top; ② 进入 top 后输入 “r”; ③ 输入进程PID; ④ 输入 NICE 值

(6) 内存指针

内存指针指向了程序地址空间

(7) I/O信息和记账信息

记录当前进程启动时间，记录当前进程占用 CPU 的时间。ll /proc/[PID]/fd 打开文件信息

总结：

操作系统内核是用 task_struct 结构体来描述进程，用双向链表来组织进程的

在这里插入图片描述

二、进程创建

2.1 fork函数

#include 
   
    pid_t fork(void);

让已经启动的程序（父进程）调用 fork 函数，来创建子进程，子进程的 PCB (task_struct) 是拷贝父进程的。下面例子可以理解子进程是拷贝父进程的PCB。

#include
   
    #include
    
     int main(){
   	printf("---begin---");	fork();	printf("fork 函数创建子进程");	return 0;}

在这里插入图片描述

2.2 fork函数的返回值

#include 
   
    pid_t fork(void);

fork函数有返回值：

子进程创建失败，返回小于0的值

子进程创建成功，返回两次。父进程中返回大于0的值（子进程的PID），子进程中返回值等于0

#include 
     
      int main(){
     	pid_t ret = fork();	if(ret < 0)	{
     		//创建子进程失败	}	else if(ret > 0)	{
     		//父进程	}	else	{
     		//子进程	}	return 0;}

通过返回值的不同，可以让父进程执行不同的代码

2.3 PID 和 PPID

通过 ps -ef | grep [程序名称] 或者 ps aux | grep [程序名称] 查看父/子进程的PID，从而确定哪个是子进程，哪个是父进程。

一旦子进程创建成功，父/子进程是抢占式执行。

通过终端启动的前台进程的父进程是 bash（命令行解释器）。

还可以通过函数获取进程的PID和PPID

#include 
   
           #include 
    
                   pid_t getpid(void);  //谁调用获取谁的进程PID       pid_t getppid(void); //谁调用获取谁的父进程PID

2.4 vfork

#include 
   
    #include 
    
     pid_t vfork(void)

vfork 函数也是用来创建子进程的函数，vfork 函数创建出来的子进程拷贝父进程的 PCB，并且子进程 PCB 当中的内存指针指向了父进程的进程虚拟地址空间，也就是说父子进程共用同一块进程虚拟地址空间。从下面这幅图也可以看出它们之间的区别。

但是，vfork 存在一个问题在于，父子进程指向同一块进程虚拟地址空间，如果父子进程同时并行运行，有可能导致函数调用栈混乱的问题，vfork 的解决方法是让子进程先运行，等子进程结束后，再让父进程运行。