操作系统理解 | 进程概念 | fork创建子进程

前言：这个系列是关于Linux系统学习的学习笔记总结！另外一位宝藏博主： 小林哥他的博客是真的好！

1.操作系统概念

操作系统是管理软硬件资源的 “管理” 软件！操作系统向下管理，管理各种硬件资源，向上为用户（用户软件）提供一个良好（稳定、快速、安全、简单） 使用环境！

如何理解"管理"：

如果将校长（操作系统）通过辅导员（各种驱动）管理学生（设备），当然如果将院长引进来，那么院长相当于操作系统中的模块（进程管理、文件管理…）但是上面的图足够说明管理的原理！

校长并不和学生直接打交道，但是能管理好学生，是通过辅导员向校长报告学生的情况（数据）！管理的本质：是对被管理对象的数据的管理！再如：一个公司可以通过员工的业绩来发放年终奖！如果对象很多，那么在C语言中通过结构体来描述对象的属性（信息），再通过对应的数据结构进行组织！那么管理的本质是：先描述、再组织！

所以，再学习操作系统中会看到struct定义的结构体和大量的数据结构！在C++或Java中，要实现一些功能，也是通过的成员变量描述对象，在使用成员函数组织！

关于系统调用和库： 操作系统不相信任何人！就好比如银行假设的前提是不相信任何人，所以在办理业务的时候通过窗口来帮你办理，计算机科学是人为的科学！同样，操作系统也会提供系统调用接口（窗口）的返回来提供服务，Linux用C语言来编写，所以系统调用就是函数调用，后面fork函数就是一个系统调用；而库，是方便开发者对部分系统调用（当然不止是系统调用）进行适度封装，从而形成库，pthread库就是Linux系统为用户提供的线程操作的库（C标准库也是封装了系统调用接口）！

2.进程

2.1.进程基本的概念

我们使用编译器编写一个C程序，通过编译会形成可执行文件，在Windows下双击就是启动一个进程，在Linux下运行一条命令，执行 ./可执行文件在系统层面上创建一个进程。通常在书中：进程是程序的一个执行实例，或者说进程是运行着的程序 ，站在内核的角度出发，能更好理解进程，是分配系统资源（CPU时间，内存）的基本单位！ 比如：一个家是资源分配的实体，每个家之间相互独立，每个家有自己的电视机、电冰箱、洗衣机等，在语言层面在栈上开辟空间，在堆上申请空间都是以进程为单位！

平常使用电脑时，都是使用多个进程，听歌的同时写代码！手不停地敲，歌不停地放，似乎多个程序在同时运行，造成并行的假象，对于单个CPU而言这是并发的现象，多个程序交替执行(多进程管理）！计算机当中进程的数量远多于CPU的数量[注]，操作系统为每个进程分配时间片（毫秒），时间片结束就会切换进程，但CPU的效率极快，切换的时间极短人感觉不到！当然，一个进程在发生IO操作也会切换进程，因为IO效率很低，为了提升CPU的利用率！CPU不会阻塞等待IO操作执行完，而是当IO操作完成，CPU会收到中断继续执行该进程！如：一个人烧水不会在那里等着水烧开，而是在烧水的期间做点其它事情，等听到水"咕咕咕响"再去用烧开的水泡茶！
注: 进程的竞争性：系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级

并发： 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进
并行：多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行

2.2.查看和描述进程

在Windows下可以通过任务管理器查看进程信息
Linux下查看进程：

[xiyan@hecs-34711 ~]$ ls /proc	# 系统文件
[xiyan@hecs-34711 ~]$ ps -l		# 用户级工具
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S  1000 22006 22005  0  80   0 - 28920 do_wai pts/3    00:00:00 bash
0 R  1000 22231 22006  0  80   0 - 38332 -      pts/3    00:00:00 ps
[xiyan@hecs-34711 ~]$ top		# 用户级工具

上面我们先要关注的是PID（进程标识符），本进程的唯一标示符，用来区别其他进程；PPID

通过上面的基础进程查看，会发现系统中大量的进程需要被管理（先描述，再组织）！

进程信息被放在一个叫做进程控制块（PCB：process control block）的数据结构中，在Linux下PCB是task_struck ! task_struct是Linux内核的一种数据结构是描述进程的结构体！在创建线程时会创建对应的task_struck，被加载到RAM（内存）中，记录进程的信息！

如果我们查看对应的内核源码，可以发现task_struck有大量的描述进程的信息：

struct task_struct {
	volatile long state;/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
	void *stack;
	atomic_t usage;
	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */
	unsigned int ptrace;

	int lock_depth;		/* BKL lock depth */
    
    ...
    /* open file information */
	struct files_struct *files;		//文件系统
    /* namespaces */
    struct nsproxy *nsproxy;
    /* signal handlers */
    struct signal_struct *signal;	//信号
    struct sighand_struct *sighand;
    
    ...
};

注意：所有的进程信息都可以在PCB中找到，如：

1. 标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程
2. 状态: 任务状态，退出代码，退出信号等
3. 优先级: 相对于其他进程的优先级
4. 上下文数据: 进程执行时处理器的寄存器中的数据
5. 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
6. 其他信息

Linux中通过task_struck 结构体对进程进行描述，再通过链表来对结构体进行组织！

2.3.fock创建进程

pid_t fork(void);
功能：创建子进程
返回值：
    失败：返回-1
    成功：a.给父进程返回子进程的pid;
		 b.给子进程返回0
pid_t getpid(void);
功能：获取当前进程pid
pid_t getppid(void);
功能：获取当前进程的父进程的pid

代码示例：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
using namespace std;

int g_val = 5;

void create_proc()
{
    pid_t ret =  fork();

    if(ret < 0){
        cout << "fork create process fail !"<< endl;
    }
    else if(ret == 0){
        printf("this is child process : ret = %d,ret addr = %p\n",ret,&ret);
        printf("this is child process : ppid = %d,pid = %d\n",getppid(),getpid());
        printf("in child process print g_val = %d,g_val addr = %p\n",g_val,&g_val);

        g_val = 10;
        printf("after change g_val,in child process print g_val = %d,g_val addr = %p\n",g_val,&g_val);
    }
    else{
        sleep(2);	// 让子进程先运行
        cout << "--------------------------------" << endl;
        printf("this is father process : ret = %d,ret addr = %p\n",ret,&ret);
        printf("this is father process : ppid = %d,pid = %d\n",getppid(),getpid());
        printf("in father process print g_val = %d,g_val addr = %p\n",g_val,&g_val);
    }
    
    printf("create_proc is create once child process\n");
    sleep(5);
}

int main()
{
    create_proc();

    return 0;
}

输出结果：

this is child process : ret = 0,ret addr = 0x7ffde8ec12ac
this is child process : ppid = 27841,pid = 27842
in child process print g_val = 5,g_val addr = 0x60208c
after change g_val,in child process print g_val = 10,g_val addr = 0x60208c
create_proc is create once child process
--------------------------------
this is father process : ret = 27842,ret addr = 0x7ffde8ec12ac
this is father process : ppid = 22006,pid = 27841
in father process print g_val = 5,g_val addr = 0x60208c
create_proc is create once child process

子进程是按照父进程的模板创建出来的，对于代码，父子将共享，数据父子间独有一份，当进程并不是在创建的时候直接区拷贝对应的数据，而是在修改的时候才会发生拷贝（写时拷贝），这样能保证即使是父子进程，也是相互独立的！做到多进程交替运行不相互干扰！

fork函数为什么能有两个返回值

pid_t fork()
{
    // 创建子进程的核心代码，子进程已经被创建出来，所有父子进程都会返回，return两次所以有两个返回值
    return pid;
}

为什么定义一个变量ret 能接收到fork函数两个返回值

从上面的输出可以看出，一个地址有两个不同的数据，说明该地址不是真是地址！上面的地址时，虚拟地址，通过对应的页表映射到不同的物理地址。上面的虚拟地址相同，数据通过对应映射会存放不同的物理地址处，所以能接收两个返回值！

总结：

1. 操作系统是纯正的管理的软件，而管理的本质先描述，在组织
2. 进程是运行着的程序，从内核出发进程是资源分配的基本单位；创建一个进程，就是创建对应的数据结构，磁盘中将可执行程序加载到内存中
3. fork是Linux创建子进程的系统调用，父子进程谁先调度，有调度器决定；父子进程通过写时拷贝（先这样理解）的技术保证进程的独立性！！！