面試官，您確定要讓我展開講進程嗎？
本文轉載自微信公眾號「CS指南」，作者大白。轉載本文請聯系CS指南公眾號。
大家好呀，我是大白!準備了好久，我的 Linux 系列文章終于和大家見面了。最近為了籌備 Linux 的文章，以程序員的視角看城市系列都沒時間寫了，最近不光讀者催我，一些喜歡我城市系列文章的號主也在催我，哈哈。現在我的第一篇寫 Linux 的文章終于寫出來了，第二篇、第三篇會越來越快，質量也會越來越高，希望大家多多支持我呀!
面試中經常會被問到進程和線程的區別，你給面試官回答一個進程里包含許多線程他又不太高興，嫌你答的太少了，要掛你。這個系列我們就以 Linux 中的進程和線程為例，好好的拆開講一講里面的細節。今天這篇文章先展開講一講 Linux 的進程是如何創建的。這個系列還會不斷更新，歡迎持續關注呀!
Linux的進程是怎樣創建的
Linux系統創建進程都是由已存在的進程創建的(除了0號進程)，被創建的進程叫做子進程，創建子進程的進程就做父進程。這句話是不是有點熟悉，沒錯，Linux進程串起來也是一顆樹的結構。就像下面這樣：
在Linux中，為了創建一個子進程，父進程用系統調用fork來創建子進程。fork()其實就是把父進程復制了一份(子進程有自己的特性，比如標識、狀態、數據空間等;子進程和父進程共同使用程序代碼、共用時間片等)。
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為子進程
- {
- c_num++;
- }
- else
- {
- p_num++; //返回的pid大于0為父進程
- }
- printf("p_num=%d, c_num=%d\n",p_num,c_num);
- printf("pid=%d\n",pid);
- return 0;
- }
- //運行結果如下所示
- p_num=1, c_num=0
- pid=36101
- p_num=0, c_num=1
- pid=0
大家看，代碼中調用了fork以后，之后的程序被執行了兩遍。子進程和父進程各自的變量互相沒有受到干擾。不過子進程和父進程執行的是相同的代碼，子進程和父進程資源占用情況如下圖所示：
大家可以看出，通過fork后，子進程并沒有和父進程獨立開，用的是相同的代碼。另外還有一個問題時，這個時候子進程的時間片是和父進程一分為二來共享的。這樣我創建子進程還有什么意義?為了徹底將父進程和子進程分離開來，就要用到一個系統調用 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是一個經過編譯的c語言文件，這里記得要放test.o的絕對路徑
- }
- printf("This is parent process\n");
- return 0;
- }
- //test.c
- #include<stdio.h>
- int main()
- {
- printf("This is child process");
- return 0;
- }
- //運行結果如下所示
- This is parent process
- This is child process
通過上面的代碼可以看出，從系統調用 execv() 后，子進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行了兩次。通過調用 execv()，子進程和父進程就基本分離開了。
結合系統繼續看Linux的進程樹是什么樣的
好了，通過上面的介紹，大家應該對進程是怎么創建的有一定的了解。想繼續學習的我們來接著上強度。
我們在 Linux 系統上通過 ps - ef 命令查看系統目前的進程：
- /[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，每一個進程都要所屬一個用戶，UID 就是用戶的標識符(通過 root 用戶創建的進程 UID 就是 root，如果我自己創建的話就應該是我的用戶名，比如我的名字 "dabai")。
其次每一個進程都要有一個 ID 來表示這個進程，PID 就表示的是當前進程的 id。
最后，上文提到除了 0 號進程，每一個進程都是由他的父進程創建的，PPID 就表示當前進程的父進程 id。
通過 0 號進程創建 1 號進程和 2 號進程，然后通過 1 號進程去創建用戶態進程，再通過 2 號進程創建內核態進程，就生成了 Linux 進程樹。
「什么是0號進程、1號進程以及2號進程?」。
0號進程：在內核初始化的過程中，會先通過指令 struct task_struct init_task = INIT_TASK(init_task) 創建 0 號進程。這是唯一一個沒有通過 fork 或者 kernel_thread 產生的進程。是進程列表的第一個。但是這個進程不是實際意義上的進程，類似與鏈表頭。所以雖然 0 號進程是在內核態創建的，但不能說 0 號進程是內核態的第一個進程，反而要說 2 號進程是內核態的第一個進程。
1號進程：通過調用指令 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS) 從內核態切換到用戶態來創建的，1號進程是所有用戶態的祖先。
2號進程：通過調用指令 kernel_thread(kthreadd, NULL, ClONE_FS | CLONE_FILES) 來創建，2號進程負責所有內核態的進程的調度和管理，是內核態所有進程的祖先。(注意，內核態不區分線程和進程，所以說進程和線程都可以，都是任務)
「為什么要先創建 0 號進程，而不直接創建 1 號進程?」
現在對于為什么要先創建 0 號進程而不直接創建1號和2號進程有許多討論。我認為...算了，我不認為了，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 的第一個進程不適合是一個真進程，需要一個沒有數據之類東西的假進程。
「為什么要區分用戶態和內核態?」
因為有了多個進程，對于關鍵資源來說，就會產生爭用以及誤操作破壞資源等情況。這時就需要對資源的訪問權限進行一定的限制。x86 提供了分層的權限機制，內核態具有最高的訪問權限，而用戶態訪問核心資源時必須要切換到內核態才可以訪問。
好了，我看了下字數，這篇文章已經不少了，接下來我還會繼續去分享進程和線程的更多細節，也會根據讀者的反饋在已完成的文章上不斷完善，歡迎大家持續關注呀!
參考資料：
【1】Linux進程的創建與管理：https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/81193118
【2】極客時間：《趣談Linux操作系統》
