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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「CS指南」，作者大白。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系CS指南公眾號(hào)。

大家好呀，我是大白!準(zhǔn)備了好久，我的 Linux 系列文章終于和大家見(jiàn)面了。最近為了籌備 Linux 的文章，以程序員的視角看城市系列都沒(méi)時(shí)間寫(xiě)了，最近不光讀者催我，一些喜歡我城市系列文章的號(hào)主也在催我，哈哈?，F(xiàn)在我的第一篇寫(xiě) Linux 的文章終于寫(xiě)出來(lái)了，第二篇、第三篇會(huì)越來(lái)越快，質(zhì)量也會(huì)越來(lái)越高，希望大家多多支持我呀!

面試中經(jīng)常會(huì)被問(wèn)到進(jìn)程和線程的區(qū)別，你給面試官回答一個(gè)進(jìn)程里包含許多線程他又不太高興，嫌你答的太少了，要掛你。這個(gè)系列我們就以 Linux 中的進(jìn)程和線程為例，好好的拆開(kāi)講一講里面的細(xì)節(jié)。今天這篇文章先展開(kāi)講一講 Linux 的進(jìn)程是如何創(chuàng)建的。這個(gè)系列還會(huì)不斷更新，歡迎持續(xù)關(guān)注呀!

Linux的進(jìn)程是怎樣創(chuàng)建的

Linux系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程都是由已存在的進(jìn)程創(chuàng)建的(除了0號(hào)進(jìn)程)，被創(chuàng)建的進(jìn)程叫做子進(jìn)程，創(chuàng)建子進(jìn)程的進(jìn)程就做父進(jìn)程。這句話(huà)是不是有點(diǎn)熟悉，沒(méi)錯(cuò)，Linux進(jìn)程串起來(lái)也是一顆樹(shù)的結(jié)構(gòu)。就像下面這樣：

在Linux中，為了創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，父進(jìn)程用系統(tǒng)調(diào)用fork來(lái)創(chuàng)建子進(jìn)程。fork()其實(shí)就是把父進(jìn)程復(fù)制了一份(子進(jìn)程有自己的特性，比如標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、數(shù)據(jù)空間等;子進(jìn)程和父進(jìn)程共同使用程序代碼、共用時(shí)間片等)。

可以看下面這段代碼：

#include<stdio.h> 
#include<unistd.h> 
 
int main() 
{ 
    int p_num = 0; 
    int c_num = 0; 
    int pid = fork(); 
    if(pid == 0) //返回的pid為0為子進(jìn)程 
    { 
        c_num++; 
    } 
    else 
    { 
        p_num++; //返回的pid大于0為父進(jìn)程 
    } 
    printf("p_num=%d, c_num=%d\n",p_num,c_num); 
    printf("pid=%d\n",pid); 
    return 0; 
} 
//運(yùn)行結(jié)果如下所示 
p_num=1, c_num=0 
pid=36101 
p_num=0, c_num=1 
pid=0 

大家看，代碼中調(diào)用了fork以后，之后的程序被執(zhí)行了兩遍。子進(jìn)程和父進(jìn)程各自的變量互相沒(méi)有受到干擾。不過(guò)子進(jìn)程和父進(jìn)程執(zhí)行的是相同的代碼，子進(jìn)程和父進(jìn)程資源占用情況如下圖所示：

大家可以看出，通過(guò)fork后，子進(jìn)程并沒(méi)有和父進(jìn)程獨(dú)立開(kāi)，用的是相同的代碼。另外還有一個(gè)問(wèn)題時(shí)，這個(gè)時(shí)候子進(jìn)程的時(shí)間片是和父進(jìn)程一分為二來(lái)共享的。這樣我創(chuàng)建子進(jìn)程還有什么意義?為了徹底將父進(jìn)程和子進(jìn)程分離開(kāi)來(lái)，就要用到一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用 execv()。

看下面這段代碼：

//process.c 
#include<stdio.h> 
#include<unistd.h> 
 
int main() 
{ 
    int pid = fork(); 
    if(pid == 0) 
    { 
        execv("./test.o",NULL);  //test.o是一個(gè)經(jīng)過(guò)編譯的c語(yǔ)言文件，這里記得要放test.o的絕對(duì)路徑 
    } 
    printf("This is parent process\n"); 
    return 0; 
} 
 
//test.c 
#include<stdio.h> 
int main() 
{ 
    printf("This is child process"); 
    return 0; 
} 
 
//運(yùn)行結(jié)果如下所示 
This is parent process 
This is child process 

通過(guò)上面的代碼可以看出，從系統(tǒng)調(diào)用 execv() 后，子進(jìn)程直接走自己的代碼了，沒(méi)有像前一段代碼一樣把后面的代碼執(zhí)行了兩次。通過(guò)調(diào)用 execv()，子進(jìn)程和父進(jìn)程就基本分離開(kāi)了。

結(jié)合系統(tǒng)繼續(xù)看Linux的進(jìn)程樹(shù)是什么樣的

好了，通過(guò)上面的介紹，大家應(yīng)該對(duì)進(jìn)程是怎么創(chuàng)建的有一定的了解。想繼續(xù)學(xué)習(xí)的我們來(lái)接著上強(qiáng)度。

我們?cè)?Linux 系統(tǒng)上通過(guò) ps - ef 命令查看系統(tǒng)目前的進(jìn)程：

/[root@localhost lucas]# ps -ef 
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD 
root           1       0  3 21:41 ?        00:02:38 /usr/lib/systemd/systemd --s 
root           2       0  0 21:41 ?        00:00:07 [kthreadd] 
root           3       2  0 21:41 ?        00:00:00 [rcu_gp] 
root           4       2  0 21:41 ?        00:00:00 [rcu_par_gp] 
... 
rtkit       1151       1  0 21:41 ?        00:00:14 /usr/libexec/rtkit-daemon 
root        1152       1  0 21:41 ?        00:00:00 /usr/sbin/ModemManager 
avahi       1155       1  0 21:41 ?        00:00:06 avahi-daemon: running [linux 
root        1159       1  0 21:41 ?        00:00:02 /usr/lib/systemd/systemd-mac 

我來(lái)解釋上表是什么意思。

首先，每一個(gè)進(jìn)程都要所屬一個(gè)用戶(hù)，UID 就是用戶(hù)的標(biāo)識(shí)符(通過(guò) root 用戶(hù)創(chuàng)建的進(jìn)程 UID 就是 root，如果我自己創(chuàng)建的話(huà)就應(yīng)該是我的用戶(hù)名，比如我的名字 "dabai")。

其次每一個(gè)進(jìn)程都要有一個(gè) ID 來(lái)表示這個(gè)進(jìn)程，PID 就表示的是當(dāng)前進(jìn)程的 id。

最后，上文提到除了 0 號(hào)進(jìn)程，每一個(gè)進(jìn)程都是由他的父進(jìn)程創(chuàng)建的，PPID 就表示當(dāng)前進(jìn)程的父進(jìn)程 id。

通過(guò) 0 號(hào)進(jìn)程創(chuàng)建 1 號(hào)進(jìn)程和 2 號(hào)進(jìn)程，然后通過(guò) 1 號(hào)進(jìn)程去創(chuàng)建用戶(hù)態(tài)進(jìn)程，再通過(guò) 2 號(hào)進(jìn)程創(chuàng)建內(nèi)核態(tài)進(jìn)程，就生成了 Linux 進(jìn)程樹(shù)。

「什么是0號(hào)進(jìn)程、1號(hào)進(jìn)程以及2號(hào)進(jìn)程?」。

0號(hào)進(jìn)程：在內(nèi)核初始化的過(guò)程中，會(huì)先通過(guò)指令 struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task) 創(chuàng)建 0 號(hào)進(jìn)程。這是唯一一個(gè)沒(méi)有通過(guò) fork 或者 kernel_thread 產(chǎn)生的進(jìn)程。是進(jìn)程列表的第一個(gè)。但是這個(gè)進(jìn)程不是實(shí)際意義上的進(jìn)程，類(lèi)似與鏈表頭。所以雖然 0 號(hào)進(jìn)程是在內(nèi)核態(tài)創(chuàng)建的，但不能說(shuō) 0 號(hào)進(jìn)程是內(nèi)核態(tài)的第一個(gè)進(jìn)程，反而要說(shuō) 2 號(hào)進(jìn)程是內(nèi)核態(tài)的第一個(gè)進(jìn)程。

1號(hào)進(jìn)程：通過(guò)調(diào)用指令 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS) 從內(nèi)核態(tài)切換到用戶(hù)態(tài)來(lái)創(chuàng)建的，1號(hào)進(jìn)程是所有用戶(hù)態(tài)的祖先。

2號(hào)進(jìn)程：通過(guò)調(diào)用指令 kernel_thread(kthreadd, NULL, ClONE_FS | CLONE_FILES) 來(lái)創(chuàng)建，2號(hào)進(jìn)程負(fù)責(zé)所有內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程的調(diào)度和管理，是內(nèi)核態(tài)所有進(jìn)程的祖先。(注意，內(nèi)核態(tài)不區(qū)分線程和進(jìn)程，所以說(shuō)進(jìn)程和線程都可以，都是任務(wù))

「為什么要先創(chuàng)建 0 號(hào)進(jìn)程，而不直接創(chuàng)建 1 號(hào)進(jìn)程?」

現(xiàn)在對(duì)于為什么要先創(chuàng)建 0 號(hào)進(jìn)程而不直接創(chuàng)建1號(hào)和2號(hào)進(jìn)程有許多討論。我認(rèn)為...算了，我不認(rèn)為了，一展開(kāi)講這篇文章又收不了尾了，以后可以專(zhuān)門(mén)寫(xiě)一篇文章來(lái)論述這里。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是Linux 的第一個(gè)進(jìn)程不適合是一個(gè)真進(jìn)程，需要一個(gè)沒(méi)有數(shù)據(jù)之類(lèi)東西的假進(jìn)程。

「為什么要區(qū)分用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)?」

因?yàn)橛辛硕鄠€(gè)進(jìn)程，對(duì)于關(guān)鍵資源來(lái)說(shuō)，就會(huì)產(chǎn)生爭(zhēng)用以及誤操作破壞資源等情況。這時(shí)就需要對(duì)資源的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行一定的限制。x86 提供了分層的權(quán)限機(jī)制，內(nèi)核態(tài)具有最高的訪問(wèn)權(quán)限，而用戶(hù)態(tài)訪問(wèn)核心資源時(shí)必須要切換到內(nèi)核態(tài)才可以訪問(wèn)。

好了，我看了下字?jǐn)?shù)，這篇文章已經(jīng)不少了，接下來(lái)我還會(huì)繼續(xù)去分享進(jìn)程和線程的更多細(xì)節(jié)，也會(huì)根據(jù)讀者的反饋在已完成的文章上不斷完善，歡迎大家持續(xù)關(guān)注呀!

參考資料：

【1】Linux進(jìn)程的創(chuàng)建與管理：https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/81193118

【2】極客時(shí)間：《趣談Linux操作系統(tǒng)》