【操作系统】探究进程奥秘：显示进程列表的解密与实战

🌌1 初识Linux OS

Linux是一种开源的Unix-like操作系统内核，它是基于POSIX和Unix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。Linux内核最初是由芬兰程序员Linus Torvalds在1991年创建的，之后成为自由软件和开源社区的一个主要项目。

以下是Linux操作系统的一些主要特点和组成部分：

1. 内核（Kernel）： Linux内核是操作系统的核心，它管理系统资源，如处理器、内存、设备驱动程序等。Linus Torvalds最初编写了Linux内核，它是Linux操作系统的基础。
   
2. Shell（命令解释器）： Linux操作系统使用命令行界面（CLI），用户与系统交互通过Shell。用户可以通过输入命令执行各种任务，管理文件、进程、权限等。常见的Shell包括Bash（Bourne Again SHell）和Zsh。
   
3. 文件系统： Linux支持多种文件系统，包括Ext4、XFS、Btrfs等。文件系统负责管理存储设备上的文件和目录，以及文件的权限、所有权等信息。
   
4. 用户界面： 虽然Linux以CLI为主，但也支持图形用户界面（GUI）。常见的Linux桌面环境有GNOME、KDE、XFCE等，它们提供了直观的用户体验。
   
5. 软件包管理系统： 大多数Linux发行版都有自己的软件包管理系统，用于安装、更新和删除软件。常见的包管理工具有APT（Debian/Ubuntu）、YUM（Red Hat/CentOS）、Pacman（Arch Linux）等。
   
6. 网络功能： Linux具有强大的网络功能，支持各种网络协议和服务。它可以作为服务器运行各种网络服务，如Web服务器（Apache、Nginx）、邮件服务器（Postfix、Sendmail）、文件服务器（Samba）等。
   
7. 多用户和多任务： Linux是一个多用户系统，多个用户可以同时访问同一台机器。它也是一个多任务系统，可以同时运行多个进程。
   
8. 安全性： Linux以安全性而闻名，系统管理员可以设置用户权限、访问控制列表（ACLs）等来确保系统的安全性。
   
9. 开源和自由： Linux是开源软件，其源代码可以被任何人查看、修改和分发。大多数Linux发行版是免费提供的，用户可以自由选择、使用和分发。
   
10. 发行版（Distribution）： 由于Linux内核是开源的，不同的组织和社区创建了各种Linux发行版，例如Ubuntu、Debian、Fedora、CentOS、Arch Linux等。每个发行版都有自己的特点和包管理系统。
    

总体而言，Linux操作系统是一个强大、灵活且可定制的操作系统，广泛应用于服务器、嵌入式系统、超级计算机等各种领域。

🌌2 显示进程列表

🌍2.1 研究目的

1. 掌握进程结构及进程管理原理：理解进程结构是深入研究操作系统的基础。进程是程序的执行实体，了解其结构包括进程控制块、程序计数器、寄存器等要素。同时，深入了解进程管理原理，如进程的创建、调度、同步和通信，是为了有效地协调和控制各个进程，确保系统资源的合理利用。
   
2. 进一步了解用户空间和内核空间的概念：用户空间和内核空间是操作系统的关键概念。用户空间是给用户程序提供的独立内存空间，而内核空间是操作系统内核运行的特权空间。通过研究显示进程列表，可以更深入地理解用户空间和内核空间之间的切换机制，以及用户程序和操作系统内核之间的交互方式。
   
3. 加深对进程调度算法的理解：进程调度算法直接影响系统的性能和响应速度。通过研究显示进程列表，可以深入了解不同的进程调度算法，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、轮转法（Round Robin）等。了解这些算法的优缺点，有助于优化系统的性能和资源利用效率。
   
4. 探讨进程间通信和同步机制：多个进程之间的通信和同步是操作系统设计中的关键问题。通过研究显示进程列表，可以更深入地了解进程间通信的方式，如共享内存，以及同步机制的实现，如信号量、互斥锁等。这有助于确保进程间协同工作的正确性和稳定性。
   

🌍2.2 研究内容

1. 进程列表的获取和展示： 研究如何在操作系统中获取和展示当前运行的进程列表。这包括了理解系统调用和API，以及使用相应的工具或命令行来检索有关正在运行进程的信息。了解进程的状态、PID（进程标识符）、CPU利用率等关键信息是这个方面的核心内容。
   
2. 进程调度和优先级： 深入研究操作系统是如何进行进程调度的，包括进程的创建、暂停、恢复和终止等操作。了解进程调度算法和优先级策略，以及它们如何影响系统性能和响应时间，是理解操作系统中进程列表管理的重要组成部分。
   
3. 进程通信和同步： 研究进程之间的通信和同步机制，以确保它们能够有效地协同工作。这可能涉及到共享内存、消息传递、信号和同步原语等概念。了解这些机制有助于理解进程列表中的多任务协作，以及如何避免竞态条件和死锁等问题。
   

🌍2.3 研究步骤

1.使用vi /usr/src/linux-2.4.20-8/include /linux/sched.h查看task_struct结构中的成员变量，后续显示的变量名称可在此处找到.

2.参考ppt给定源码，根据task_struct结构中找出的十个成员变量通过指针指向，并使用%字符限制显示格式（此处需要在task_struct结构中提前记录变量所属类型和变量名）

3.输入gcc -c –I/usr/src/linux-2.4.20-8/include –Wall xxx.c进行编译，并使用ls查看编译成功显示xxx.o文件.

4.输入insmod xxx.o进行挂载，显示挂载成功.

5.输入dmesg查看日志信息显示十列，其中第一列为变量名.

6.输入rmmod xxx取消挂载，显示Quit等信息.

🌍2.4 研究过程

🌍2.5 研究心得

1. 深入理解用户空间和内核空间： 通过本次试验，我加深了对用户空间和内核空间的理解。特别是在研究进程结构和管理原理时，我意识到这两个空间的界限对于操作系统的正常运行至关重要。了解了task_struct结构体的成员变量，并发现进程通过双向循环链表连接，这进一步加深了我对用户空间和内核空间交互的认识。
   
2. 掌握进程结构及管理原理： 在课程设计中，我通过查询task_struct结构体，深入了解了进程的结构和管理原理。了解到进程通过task_struct的next_task和prev_task成员变量形成链表，而通过指针操作，可以灵活地管理和控制进程。这为我理解操作系统中进程管理的底层机制提供了实际案例和经验。
   
3. 挑战和优化显示格式： 在进行dmesg显示的表头格式设置时，我面临了一些挑战，特别是在限定格式时遇到了显示不全的问题。我通过采用空格限制和调整%限定符的方式，虽然较为笨拙但在不断的尝试中，我找到了较为美观和有效的显示格式。这过程中，我也学到了通过编译和挂载等方式进行实时调试和优化的重要性，为后续的实际项目开发积累了经验。
   

📝总结

Linux操作系统的领域就像一片未被勘探的信息大海，引领你勇敢踏入开源系统的神秘领域。这是一场独特的学习冒险，从基本概念到系统架构，逐步揭示更深层次的操作系统原理、命令行工具和高级系统管理的奥秘。