【Linux】进程的概念

📖 前言

在前面我们学习了Liunx的基本指令和权限相关知识，还有基本工具的使用，有了以上的基础知识我们本章将正式接触操作系统，搬好小板凳要开讲了🙋🙋🙋……

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1. 冯·诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

• 输入设备： 键盘，话筒，摄像头，磁盘，网卡……
• 输出设备： 显示器，音响，磁盘，网卡，显卡……
• (运算器 + 控制器)[CPU]： 算数计算 + 逻辑计算
• 存储器： 就是内存，不是磁盘！

出了内存之外剩下的就是外设了~

1.1 内存存在的意义：

为什么要有内存?

• a. 技术角度：
• • 存储速度的差别： cpu的运算速度 > 寄存器的速度 > L1 ~ L3Cache（各种缓存Cache） > 内存>> 外设（磁盘）>> 光盘磁带
• b. 数据角度：
• • 外设不和CPU直接交互，而是和内存交互，CPU也是如此。
• c. 成本角度：
• • 造价： 寄存器 >> 内存 >> 磁盘(外设)

如果冯诺依曼体系结构中没有内存的话：

• 那么整个体系的效率是很低下，因为是由最慢的设备决定的。
• 计算CPU速度够快，但是还是要等外设，这既是著名的木桶原理。

当整个体系结构加上内存之后：

• 因为中央处理器只和内存做数据交互，输入设备也和内存做交互。
• 所以整个体系的效率就以内存为主要衡量标准。
• 不以外设为标准，引入了存储器的设备，可以让整体效率以存储器为标准。

• 内存的意义：

• 有存储器的存在让软件的存在具有了更大的意义。开机的时候就是将操作系统加载到存储器当中。
• 内存对应的最大意义：使用较低的钱的成本，能够获得较高的性能！

补充：

• 中央处理器CPU也会和外说有交互，协调数据流向。
• 中央处理器CPU只是个具有运算和控制能力的提现木偶，真正让中央处理器去完成计算和某些控制的是整个计算机的大脑，叫做软件，最具有代表性的就是操作系统，是操作系统来控制CPU的。

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1.2 程序加载到内存的意义：

• 在我们之前学习编程语言例如：C/C++时，我们都听过这样一句话：

• 自己写的软件/程序，编译好之后，要运行，必须先加载到内存。

为什么？？？

• 答案就是由体系结构（冯·诺依曼体系结构）决定的。

具体解释：

• C/C+编译好的程序就必须从磁盘加载到内存要让CPU能够读取。
• 我们编译好的程序是个文件是在磁盘上(外设)，CPU读取数据，必须通过存储器读取，所以也就要求要运行程序，就必须将程序先加载到内存，因为CPU只会从内存当中读取指令代码和数据。

1.3 程序的预加载：

• 几乎所有的硬件，只能被动的完成某种功能，不能主动的完成某种功能，一般都是要配合软件完成的(OS + CPU)
• 开机等待本质是将操作系统加载到内存当中，因为体系结构规定，CPU要执行代码，执行的可不仅仅是我们写的代码，还有操作系统的代码所以必须先把操作系统加载到内存，这就是预加载。
• 当启动时还没有执行，此时数据已经被预加载到了内存，CPU可能在进行某种其他的计算，这样就能把加载的过程和CPU运算的过程并行起来。
• 操作系统一旦被加载之后，在软件层面上，就可以预先把将来要访问的数据或文件也可以提前加载到内存当中。

数据在流动的时候，从输入到内存，从内存到CPU，CPU计算处理完，将结果写回内存，然后定期再刷新到外设。

补充：

内存的存在可以去适配外设和CPU之间速度不匹配的问题，因为内存的存在可以去预先装载一些常见的内存管理软件，数据管理软件，就可以将数据以预加载的方式提前放在存储器当中，以提高中央处理器读取效率，就可以让我们以较高的效率完成计算和存储的任务。

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2. 认识进程

2.1 如何理解管理：

• 管理的本质是：对数据的管理。

• 管理的本质：不是对被管理对象进行直接管理，而是只要拿到被管理对象的所有的相关数据，我们对数据的管理，就可以体现对对象的管理。

• 管理的核心理念：先描述，再组织。

• 当我们要管理的对象数目巨大，例如一个学校的学生，而每个学生身上又有大量的属性的时候，例如：每个学生都有自己的个人信息，身高、体重、年龄……
• 大量的数据堆在一起很显然是不好管理的，我们可以先将每个对象描述起来，例如将每个学生描述为一个结构体，结构体内有学生的各种属性，然后再将这些结构体组织起来。
• 组织起来的方式有很多，这就是我们之前学的数据结构啊。

先描述再组织，用C语言或C++描述，用数据结构组织数据。管理的本质对数据做管理 --> 对数据的管理 --> 对某种数据结构的管理 --> 对数据结构的各种操作，增删查改。

重点：

其实操作系统是一款软件，是一款专门搞管理的软件，软件可以管理软件，就像人可以管理人一样~

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2.2 什么叫是进程：（初步理解）

进程是一个运行起来的程序。

一般书上都会那么说，真的让人理解起来一头雾水，脑子里一篇空白😓😓😓，进程和程序的区别是什么？一个跑一个没跑，这是用形容词描述的，用名词怎么描述？？

下面我们来慢慢讲🙋🙋🙋……

• 首先我们要知道，程序是个文件，是存在磁盘上的，然后不能简单的认为，将程序从磁盘加载到内存，这个程序就是进程了，就像随便一个人进入学校不能够称之为学生一样。

• 再者我们要知道，操作系统里面可能同时存在大量的进程！

• 操作系统要不要将所有的进程管理起来呢？答案是肯定的！

• 对进程的管理，本质是不是就是对进程数据的管理？答案是肯定的！

那我们对进程的管理，核心是不是：先描述，再组织呢？答案是肯定的！

PCB（proccess ctrl block）：

• 描述进程的结构体我们叫做PCB
• 也叫做进程控制块
• 而Linux中的task_struct是一款具体的PCB

当一个程序加载到内存时候，不仅仅是将代码和数据加载到内存，操作系统还要为了管理该进程创建对应的数据结构。

• 初步认识进程的概念：（重点）

• 我们把一个进程的task struct结构和对应的可执行程序合起来才叫一个进程。
• 进程 = 可执行程序 + 该进程对应的内核数据结构

有大量的进程就必须把进程先描述再组织起来，把进程组织起来实际上是把描述进程的进程控制块组织起来。

那我们学习进程到底学的是什么呢？

• 我们学习的是进程控制块里面有什么属性！

第一阶段对进程的理解总结：

• 当一个程序从磁盘加载到内存，将代码和数据加载到内存只是第一步，第二步，操作系统为了管理这个进程，需要为该进程创建对应的描述该进程的进程控制块PCB，Liunx 下叫task struct。
• 只要在内存当中被操作系统管理，操作系统实际管的根本不是代码和数据，而是管的则是进程的PCB结构体。
• 第一阶段进程的理解：程序加载到内存之后的代码和数据，以及操作系统为了管理进程，所生成的描述进程的进程控制块PCB结构体（内核数据结构 + 代码和数据，这二者合起来，叫做进程）。
• 一个进程有一个PCB描述起来了，系统中有大量的PCB，只需要将系统中的PCB用数据结构组织起来，对应的对进程的管理就变成了对数据结构的增删查改。

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3. 简单认识操作系统

3.1 操作系统如何提供服务：

计算机和OS设计出来就是为了给人们服务的，那么是如何给我们提供服务的呢？

我们调用printf函数向显示器打印，显示器是硬件，所谓的打印，本质就是将数据写到硬件上，那我们写的C语言能直接访问硬件吗？

• 答案是不能！！打印不是直接写到硬件上，而是通过间接的方式。
• 所有的应用程序都没有资格直接访问硬件，因为硬件的管理者是操作系统。
• 操作系统是不相信任何人的！不会直接暴露自己的任何数据结构，代码逻辑，其他数据相关的细节！！
• 因为我们普通人写的代码或者软件没有资格直接访问硬件，需要计算机提供对应的服务。

操作系统是不相信任何人的要防止少数人，又要给多数人提供服务，所以操作系统是通过给用户提供接口的方式为用户提供服务的~

• Linux操作系统是用C语言写的，这里所谓的“接口”，本质就是C函数！

• 我们学习系统编程本质就是在学习这里的系统接口。

我们如何调用系统调用接口：

• 要是小白的话，我们可以通过图形化界面或者是命令行指令来调用系统接口，在我们日常的生活中，安装卸载软件、本质就将各种资源拷贝到本地磁盘目录下，下载还用了网卡。我们只是用了图形化界面点击了一下，这就是管理操作。

• 要是初级工程师，就像正在学习的我们，会调用C语言的printf函数来将内容打印到显示器上，但是我们并没有自己实现printf函数，但是我们清楚地知道：

• • 链接就是将库里面的代码和我们的代码合起来，库中的方法里面一定有对应的方法，底层一定有调用系统调用接口，只是我们平时不知道而已。

此时上层用中就可以做管理工作，开发工作，命令行操作。

补充：

• 一门语言跨平台可移植，在Windows和Linux下都能选择其对应的接口，上层提供的都是printf()，原因标准库中用了多态，同个接口在不同的平台下实现同一个或者不同的功能。

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4. 查看进程

• 我们自己写的代码，编译成为可执行程序，启动之后就是一个进程！
• 那么别人写的呢？？启动之后是不是进程呢？？肯定算！！

那么我们之前学习的各种指令，执行指令也是进程。

4.1 第一种查看进程的方式：

• a：all
• j：jobs
• x：以特定格式显示

通过ps指令，后面的axj几个选项的顺序无所谓，这是显示所有的进程。

我们写一个简单的死循环然他一直在跑，我们来查看一下它的进程~

结合我们之前学的指令，我们可以查看指定的进程：

我们调用了grep指令，所以这里查看进程的时候也是能显示grep进程的。

显示出前五行：

只显示要查看的进程：

只要匹配到-v后面的关键字一律不显示。

Windows下是通过双击打开一个进程, 而Linux则是通过./启动，在系统中找到可执行程序启动，这两者在系统层面上一模一样~

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4.2 第二种查看进程的方式：

Linux的根目录下有个proc目录里面放的就是实时的进程：

proc：process，内存文件系统，里面放的是当前系统实时的进程信息。

查看进程的ID：

既然proc里面存的是实时的进程，那么我们就可以查到当前正在跑的进程：

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当我们将刚刚的进程结束掉之后，再次执行以下mytest这个可执行程序，我们发现进程的ID发生了变化：

所以重启之后就是一个新的进程了。

我们在proc中打开这个进程，可以查看它的详细属性：

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5. 对当前路径的理解

在我们之前学习C / C++语言的时候，我们就只是肤浅的理解当路径就是源文件所在的路径。

事实真的是这样吗？？

答案并不是！！！

我们用ls -al选项来在proce目录中对应的进程中看一下它的更详细的属性：

我们可以看到进程当前的工作路径，和进程所对应的可执行程序在磁盘上所对应的位置。

我们在源文件代码中加一个新建文件的语句，目的就是看看当前路径到底是指的什么：

同时我们还将可执行文件移出当前路径：

我们再将程序跑起来：

• 其实我们发现了，cwd和exe都已经在了test这个路径下，并不是源文件的路径。
• 更重要的是，我们代码中创建的文本文件此时也是创建在了test这个路径下。
• 这就充分说明了，当前路径并不是源文件所在的路径，而是进程工作的路径。