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。這句話是不是有點(diǎn)熟悉，沒錯(cuò)，Linux進(jìn)程串起來也是一顆樹的結(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
#include

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
",p_num,c_num);
printf("pid=%d
",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有受到干擾。不過子進(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fork后，子進(jìn)程并沒有和父進(jìn)程獨(dú)立開，用的是相同的代碼。另外還有一個(gè)問題時(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)程分離開來，就要用到一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用 execv()。

看下面這段代碼：

//process.c
#include
#include

int main()
{
int pid = fork();
if(pid == 0)
{
execv("./test.o",NULL);  //test.o是一個(gè)經(jīng)過編譯的c語言文件，這里記得要放test.o的絕對(duì)路徑
}
printf("This is parent process
");
return 0;
}

//test.c
#include
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，沒有像前一段代碼一樣把后面的代碼執(zhí)行了兩次。通過調(diào)用 execv()，子進(jìn)程和父進(jìn)程就基本分離開了。

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

好了，通過上面的介紹，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)的我們來接著上強(qiáng)度。

我們?cè)?Linux 系統(tǒng)上通過 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，UID 就是用戶的標(biāo)識(shí)符（通過 root 用戶創(chuàng)建的進(jìn)程 UID 就是 root，如果我自己創(chuàng)建的話就應(yīng)該是我的用戶名，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 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 1 號(hào)進(jìn)程去創(chuàng)建用戶態(tài)進(jìn)程，再通過 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。

「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)核初始化的過程中，會(huì)先通過指令 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)沒有通過 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 0 號(hào)進(jìn)程是內(nèi)核態(tài)的第一個(gè)進(jìn)程，反而要說 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：通過調(diào)用指令 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS) 從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)來創(chuàng)建的，1號(hào)進(jìn)程是所有用戶態(tài)的祖先。

2號(hào)進(jìn)程：通過調(diào)用指令 kernel_thread(kthreadd, NULL, ClONE_FS | CLONE_FILES) 來創(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，一展開講這篇文章又收不了尾了，以后可以專門寫一篇文章來論述這里。簡單來說就是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)沒有數(shù)據(jù)之類東西的假進(jìn)程。

「為什么要區(qū)分用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)？」

因?yàn)橛辛硕鄠€(gè)進(jìn)程，對(duì)于關(guān)鍵資源來說，就會(huì)產(chǎn)生爭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)具有最高的訪問權(quán)限，而用戶態(tài)訪問核心資源時(shí)必須要切換到內(nèi)核態(tài)才可以訪問。

好了，我看了下字?jǐn)?shù)，這篇文章已經(jīng)不少了，接下來我還會(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)》