本文演示所用系统为 CentOS 7.6

1. 操作系统

操作系统是不会直接对用户提供服务的。因为这样会暴露自己的底层实现，对系统稳定性造成了威胁

操作系统是通过系统调用层的方式对外提供接口服务的。

这就好比你是通过前端按钮来使用一个网站的功能，而通常你是看不到网页的后端实现的。

Linux 系统的底层是用 C 语言写的，所以这些接口服务本质上就是一些 C 语言的函数。这些函数用于操作系统的各种管理。

我们学习 Linux 的系统编程，本质上是在学习这些和系统对接的函数。

1.1 编程语言和系统对接

不同的操作系统，其提供的各种管理硬件的函数是不同的。这时候我们的 C/C++ 等其他语言想和系统对接（如 printf 打印到屏幕上）就需要在底层帮用户管理好这些系统接口的调用。当我们使用这些语言的时候，就不需要自己手动去调用

1.2 描述进程 - PCB

PCB 并不是那些绿油油的电路板，这里指的是 process control block

进程是有一个担当分配系统资源（CPU 时间，内存）的实体

进程信息被放在一个叫做进程控制模块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合
在 Linux 中的 PCB 其实就是一个结构体 task strcut，包含了这个进程的各种信息。

task_struct 的内容大家可以上网搜搜，能力强的朋友可直接去看 Linux 的源码。

1.3 组织进程

我们可以在 Linux 的源码中找到组织进程的方式。所有运行在系统里面的进程都是以 task_struct 为成员的链表形式存在内核中。下面是关于这个结构体的一部分解析

标示符：描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程
状态：任务状态，退出代码，退出信号等。
优先级：相对于其他进程的优先级。
程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据 [休学例子，要加图 CPU，寄存器]。
I／O 状态信息：包括显示的 I/O 请求，分配给进程的 I／O 设备和被进程使用的文件列表。
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。
其他信息

相关解析可以看看这篇博客【传送门】

1.4 查看进程

1.4.1 ps 命令

可以用 ps 命令来查找进程信息。下面这个指令是显示所有的进程

bash

ps axj

系统会打印下面的很多进程信息，这就好比 windows 下的任务管理器

如果我们使用一个 while(1) 的死循环函数，运行的时候就变成了一个进程了。我们可以用下面的命令来查找特定的进程信息

bash

1	ps axj \| grep test

上图中我们搜索 test，出现了两个进程。第一个进程很明显是我们运行的可执行程序。那么第二个是什么呢？

实际上，所有的指令都是一个进程。只不过 ls 这种类型的命令很快就能执行完毕。

这样一来，我们便可以确认，出现的第二个进程实际上是我们执行这条搜索语句出现的。可以用下面的这个指令来屏蔽 grep 的结果，只显示我们自己的那个程序。

bash

1	ps axj \| grep test \| grep -v grep

最后一个指令的意思是忽略掉包含 grep 的结果，现在就不会显示第二个 grep 的进程了

1.4.2 proc 目录

还可以通过 /proc 系统文件夹来查看系统进程信息。这里面的内容都是一个实时的进程信息

每一个进程都有一个自己的 PID(process id)，用来标识唯一的进程

可以用下面的这个指令来显示一个提示信息，其中的 && 代表逻辑与，只有第一个命令执行成功，才会执行第二个命令

bash

1	ps ajx \| head -1 && ps ajx \| grep test \| grep -v grep

这里就告诉我们了这个命令的 PID 是什么，即第 2 位数字

如果你需要查看 PID 为 1 的进程，则打开对应进程的文件夹

上面我们搜到的进程 PID 为 5408，查看对应文件夹可以看到下面的内容

当我们关闭了./test 进程在去查找，会发现没有这个路径了

在每一个进程文件夹中都有一个 cwd 和 exe

cwd 其指向的是进程当前的工作路径
exe 指向的是进程对应可执行程序的磁盘文件

比如现在我使用 ps 命令查找到了下面这个 python 代码进程

使用 ls -l /proc/19423 命令打开对应文件夹，便可以看到 cwd 和 exe 的指向

这代表该进程是用 python3.10 进行执行的，其工作目录为 cwd 指向的路径

pid、工作路径等等信息都存放在进程的 task_struct 中

1.4.3 C 语言代码获取 ppid 和 pid

除了在命令行中输入命令以外，我们还可以通过 C 语言代码中和系统通信的库函数来获取当前进程的 ppid和pid

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("pid: %d\n", getpid());
    printf("ppid: %d\n", getppid());
    return 0;
}

使用一个 while(1) 循环，我们就可以看看这个进程是否和我们用 ps 搜出来的结果相同

可以看到，搜寻出来的结果和该程序自己打印的结果是一样的

实际上，我们所有在命令行上执行的程序，都是 bash（即当前命令行）的子进程

1.5 fork 通过系统调用创建父子进程

如果你用过 gitee 或者 github，想必对 fork 并不陌生。在 git 托管网站上，我们 fork 别人的仓库，便会在自己的账户中出现一个别人仓库的 “子仓库”。我们可以在这个 “子仓库” 里面修改一部分信息，再创建一个 pull request 合并入被 fork 的仓库

而在 Linux 系统中，fork 的作用便是可以创建一个父子进程，这两个进程相互独立，且有很多特殊的地方等着我们的探索

比如：fork 具有两个不同的返回值！

下面是一个示例代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    pid_t id = fork();
    //id=0 子进程；>0为父进程
    if(id == 0)
    {
        //child
        while(1)
        {
            printf("子进程，pid: %d, 父进程是: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
    else{
        //parent
        while(1)
        {
            printf("父进程，pid: %d, 父进程是: %d\n", getpid(), getppid());
            sleep(1);
        }
    }
}