课程学习总结报告

要求：

　　请您根据本课程所学内容总结梳理出一个精简的Linux系统概念模型，最大程度统摄整顿本课程及相关的知识信息，模型应该是逻辑上可以运转的、自洽的，并举例某一两个具体例子（比如读写文件、分配内存、使用I/O驱动某个硬件等）纳入模型中验证模型。谈谈您对课程的心得体会，改进建议等。

 

一、Linux进程

　　计算机实际上可以做的事情实质上非常简单，比如计算两个数的和，再比如在内存中寻找到某个地址等等。这些最基础的计算机动作被称为指令 (instruction)。所谓的程序(program)，就是这样一系列指令的所构成的集合。通过程序，我们可以让计算机完成复杂的操作。程序大多数时候被存储为可执行的文件。

　　程序和进程的区别：

　　进程是程序的一个具体实现。进程是执行程序的过程，同一个程序可以执行多次，每次都可以在内存中开辟独立的空间来装载，从而产生多个进程。不同的进程还可以拥有各自独立的IO接口。

操作系统的一个重要功能就是为进程提供方便。

　　首先，我们可以使用$ps命令来查询正在运行的进程，比如$ps -eo pid,comm,cmd，下图为执行结果:

　　(-e表示列出全部进程，-o pid,comm,cmd表示我们需要PID，COMMAND，CMD信息)

 

 

 　　每一行代表了一个进程。每一行又分为三列。第一列PID是一个整数，每一个进程都有一个唯一的PID来代表自己的身份，进程也可以根据PID来识别其他的进程。第二列COMMAND是这个进程的简称。第三列CMD是进程所对应的程序以及运行时所带的参数。

 

二、创建一个进程

　　实际上，当计算机开机的时候，内核(kernel)只建立了一个init进程。Linux内核并不提供直接建立新进程的系统调用。剩下的所有进程都是init进程通过fork机制建立的。新的进程要通过老的进程复制自身得到，这就是fork。fork是一个系统调用。进程存活于内存中。每个进程都在内存中分配有属于自己的一片空间。当进程fork的时候，Linux在内存中开辟出一片新的内存空间给新的进程，并将老的进程空间中的内容复制到新的空间中，此后两个进程同时运行。

　　老进程成为新进程的父进程，而相应的，新进程就是老的进程的子进程。一个进程除了有一个PID之外，还会有一个PPID来存储的父进程PID。如果我们循着PPID不断向上追溯的话，总会发现其源头是init进程。所以说，所有的进程也构成一个以init为根的树状结构。

　　如下，我们查询当前shell下的进程：

root@vamei:~# ps -o pid,ppid,cmd
  PID  PPID CMD
16935  3101 sudo -i
16939 16935 -bash
23774 16939 ps -o pid,ppid,cmd　

　　fork通常作为一个函数被调用。这个函数会有两次返回，将子进程的PID返回给父进程，0返回给子进程。实际上，子进程总可以查询自己的PPID来知道自己的父进程是谁，这样，一对父进程和子进程就可以随时查询对方。

　　通常在调用fork函数之后，程序会设计一个if选择结构。当PID等于0时，说明该进程为子进程，那么让它执行某些指令,比如说使用exec库函数读取另一个程序文件，并在当前的进程空间执行 (这实际上是我们使用fork的一大目的: 为某一程序创建进程)；而当PID为一个正整数时，说明为父进程，则执行另外一些指令。由此，就可以在子进程建立之后，让它执行与父进程不同的功能。

　　子进程的结束

　　当子进程终结时，它会通知父进程，并清空自己所占据的内存，并在内核里留下自己的退出信息(exit code，如果顺利运行，为0；如果有错误或异常状况，为>0的整数)。在这个信息里，会解释该进程为什么退出。父进程在得知子进程终结时，有责任对该子进程使用wait系统调用。这个wait函数能从内核中取出子进程的退出信息，并清空该信息在内核中所占据的空间。但是，如果父进程早于子进程终结，子进程就会成为一个孤儿(orphand)进程。孤儿进程会被过继给init进程，init进程也就成了该进程的父进程。init进程负责该子进程终结时调用wait函数。

　　尽管在UNIX中，进程与线程是有联系但不同的两个东西，但在Linux中，线程只是一种特殊的进程。多个线程之间可以共享内存空间和IO接口。所以，进程是Linux程序的唯一的实现方式。

 

三、从程序到进程

　　先写一段简单的的C程序，假设该程序已经编译好，生成可执行文件vamei.exe。

#include <stdio.h>

int glob = 0;                                             

void main(void) {
  int main1 = 5;                                          
  int main2;                                            
  main2 = inner(main1);                                 
  printf("From Main: glob: %d \n", glob);
  printf("From Main: main2: %d \n", main2);
}

int inner(int inner1) {                                 
  int inner2 = 10;                                        
  printf("From inner: glob: %d \n", glob);
  return(inner1 + inner2);
}

　　main()函数中调用了inner()函数。inner()中调用一次printf()以输出。最后，在main()中进行了两次printf()。

　　下图为该程序的运行过程，以及各个变量的作用范围：

 

　　进程空间：

　　　

 

　　Text区域用来储存指令，说明每一步的操作。Global Data用于存放全局变量，栈用于存放局部变量，堆用于存放动态变量. 程序利用malloc系统调用，直接从内存中为dynamic variable开辟空间)。Text和Global data在进程一开始的时候就确定了，并在整个进程中保持固定大小。

　　栈以帧为单位。当程序调用函数的时候，比如main()函数中调用inner()函数，stack会向下增长一帧。帧中存储该函数的参数和局部变量，以及该函数的返回地址。此时，计算机将控制权从main()转移到inner()，inner()函数处于激活状态。位于栈最下方的帧，和全局变量一起，构成了当前的环境。激活函数可以从环境中调用需要的变量。典型的编程语言都只允许你使用位于stack最下方的帧 ，而不允许你调用其它的帧 (这也符合stack结构“先进后出”的特征。但也有一些语言允许你调用栈的其它部分，相当于允许你在运行inner()函数的时候调用main()中声明的局部变量，比如Pascal)。当函数又进一步调用另一个函数的时候，一个新的帧会继续增加到栈的下方，控制权转移到新的函数中。当激活函数返回的时候，会从栈中弹出(pop，读取并从栈中删除)该帧，并根据帧中记录的返回地址，将控制权交给返回地址所指向的指令(比如从inner()函数中返回，继续执行main()中赋值给main2的操作)。

　　在进程运行的过程中，通过调用和返回函数，控制权不断在函数间转移。进程可以在调用函数的时候，原函数的帧中保存有在我们离开时的状态，并为新的函数开辟所需的帧空间。在调用函数返回时，该函数的帧所占据的空间随着帧的弹出而清空。进程再次回到原函数的帧中保存的状态，并根据返回地址所指向的指令继续执行。上面过程不断继续，栈不断增长或减小，直到main()返回的时候，栈完全清空，进程结束。

　　当程序中使用malloc的时候，堆会向上增长，其增长的部分就成为malloc从内存中分配的空间。malloc开辟的空间会一直存在，直到我们用free系统调用来释放，或者进程结束。一个经典的错误是内存泄漏，就是指我们没有释放不再使用的堆空间，导致堆不断增长，而内存可用空间不断减少。

　　栈和堆的大小则会随着进程的运行增大或者变小。当栈和堆增长到两者相遇时候，也就是内存空间图中的蓝色区域(unused area)完全消失的时候，再无可用内存。进程会出现栈溢出的错误，导致进程终止。在现代计算机中，内核一般会为进程分配足够多的蓝色区域，如果清理及时，栈溢出很容易避免。即便如此，内存负荷过大，依然可能出现栈溢出的情况。我们就需要增加物理内存了。

 

 

　　进程附加信息

　　除了上面的信息之外，每个进程还要包括一些进程附加信息，包括PID，PPID，PGID(参考Linux进程基础以及Linux进程关系)等，用来说明进程的身份、进程关系以及其它统计信息。这些信息并不保存在进程的内存空间中。内核会为每个进程在内核自己的空间中分配一个变量(task_struct结构体)以保存上述信息。内核可以通过查看自己空间中的各个进程的附加信息就能知道进程的概况，而不用进入到进程自身的空间，每个进程的附加信息中有位置专门用于保存接收到的信号。

　　总结

　　当一个程序调用fork的时候，实际上就是将上面的内存空间，包括text, global data, heap和stack，又复制出来一个，构成一个新的进程，并在内核中为改进程创建新的附加信息 (比如新的PID，而PPID为原进程的PID)。此后，两个进程分别地继续运行下去。新的进程和原有进程有相同的运行状态(相同的变量值，相同的instructions...)。我们只能通过进程的附加信息来区分两者。

　　程序调用exec的时候，进程清空自身内存空间的text, global data, heap和stack，并根据新的程序文件重建text, global data, heap和stack (此时heap和stack大小都为0)，并开始运行。

 

四、心得体会，改进建议

　　这个课程使我了解了linux的很多知识。学习完这个课程后我对linux系统的一般执行过程在脑海里有了一个概括性的框架，对中断机制、系统调用、进程管理、IO、文件管理等等概念也有了框架级的认知。最后感谢李春杰老师和孟宁老师的辛苦教导，希望这门课后面能多加些课时吧。