【操作系统和进程】深入理解计算机内部运行的基本原理

1、操作系统

1.1 操作系统的认识

操作系统是计算机系统中的核心软件，它为计算机硬件提供管理和控制，为计算机软件提供稳定的运行环境和服务。操作系统也是软件、硬件、用户之间交互的中介，使用户更加方便地使用计算机

• 操作系统对下，要管理硬件设备

• 操作系统对上，要给软件提供稳定的运行环境

举例说明：计算机只能识别机器语言（二进制），用户是不会机器语言的，所有就没办法直接跟计算机进行交互。当用户需要用计算机的时候，又不会机器语言那咋办咧？此时就需要一个中间介，来间接与计算机进行交互

1.2 常见的操作系统

• Windows操作系统：它是由微软公司开发的，广泛应用于个人电脑、服务器和移动设备等领域

• macOS操作系统：它是由苹果公司开发的，主要应用于苹果电脑和移动设备

• Linux操作系统：它是一种开源的操作系统，由全球的开发者共同开发和维护的，广泛应用于服务器、嵌入式系统和个人电脑等领域

......

1.3 操作系统的定位

应用程序和硬件设备，大家应该是比较了解的，此处我们就来介绍一下系统调用、操作系统内核、驱动程序：

• 系统调用：是操作系统提供给应用程序的一种接口，它允许应用程序请求操作系统的服务和资源。应用程序通过系统调用向操作系统发出请求，操作系统在收到请求后进行相应的处理，并将结果返回给应用程序（系统调用就是应用程序和操作系统之间的桥梁）

• 操作系统内核：操作系统内核是操作系统的核心部分，它是操作系统的主要组成部分之一，负责管理计算机硬件和软件资源。提供各种服务和功能，如进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等

• 驱动程序：硬件设备种类繁多、厂商各异，所有硬件厂商在开发硬件的同时会提供驱动，电脑装了对应的驱动，系统才能正确的识别硬件设备

2、进程

2.1 进程的认识

一个正在运行的程序就是进程，没有运行的就不是进程，当我们双击一个程序就可以运行，那么此时它就是一个进程，可以通过 ctrl + alt + delete 打开任务管理器，去查看当前的进程，进程又称为任务

在操作系统中，每个进程都有自己的地址空间、内存、文件句柄、线程和其他系统资源。进程是操作系统中最基本的资源分配单位，它可以独立地运行、停止、暂停、恢复和终止。在多任务操作系统中，多个进程可以同时运行，操作系统通过调度算法来分配CPU时间片，使得每个进程都能得到一定的CPU时间，从而实现多任务并发执行。

进程是一个重要的“软件资源”，它是由操作系统内核负责管理的，管理方式主要采用：描述+组织

• 描述：描述都有哪些属性特征，采用C语言结构体来描述进程属性,把这个描述进程的结构体称为 PCB

• 组织：通过一定的数据结构，把多个这样的基本单位串起来

此时我们就知道了，创建一个进程，本质上就是创建了一个 PCB 这样的结构体对象，并把它插入到链表中。销毁一个进程，本质上就是把链表中的这个 PCB 节点删除掉

2.2 PCB里有哪些描述进程特征？

PCB（进程控制块）是操作系统用来描述进程特征的数据结构

PCB 中描述了以下进程的特征：

• 进程状态：描述了进程当前的状态，可以是就绪、运行、阻塞等。就绪状态表示进程已经准备好运行，等待 CPU 分配时间片；运行状态表示进程正在执行；阻塞状态表示进程被阻塞，等待某个事件发生。

• 程序计数器：记录了进程执行到的指令地址，用于实现进程的断点续传。当进程被中断或者切换到其他进程时，程序计数器保存了进程执行的当前状态，以便下次继续执行。

• 内存分配情况：记录了进程所占用的内存地址空间，包括代码段、数据段、堆栈段等。代码段存放程序的指令，数据段存放程序中使用的数据，堆栈段存放程序的运行时栈。

• 资源占用情况：记录了进程所占用的资源，如 CPU、内存、磁盘等，以及资源的占用情况。进程需要占用资源才能正常运行，如果资源不足或者被其他进程占用，就会导致进程阻塞或者失败。

• 进程优先级：描述了进程的优先级，用于实现进程调度。优先级高的进程会被优先调度，优先级低的进程则会被暂时忽略，等待更高优先级的进程执行完毕。

• 进程标识符：唯一标识了进程，用于区分不同的进程。每个进程都有一个唯一的 ID，可以通过 ID 来查找和管理进程。

• 进程控制信息：记录了进程的父进程、子进程、创建时间、运行时间等控制信息。父进程是创建该进程的进程，子进程是该进程创建的其他进程，创建时间是指进程被创建的时间，运行时间是指进程已经运行的时间。这些信息可以用于进程管理和调度。

3、操作系统对内存的管理

3.1 内存管理的分类

操作系统对内存的管理主要包括内存分配、内存保护和内存回收三个方面：

• 内存分配：操作系统需要为每个进程分配一定的内存空间，以便进程能够运行。内存分配的方式通常有静态分配和动态分配两种。静态分配是在程序编译时确定内存分配大小，动态分配是在程序运行时根据需要动态分配内存空间。

• 内存保护：操作系统需要保护不同进程之间的内存空间，防止进程之间相互干扰。为此，操作系统通常采用虚拟内存技术，将物理内存划分为若干个虚拟内存页，每个进程都有自己的虚拟内存空间，相互之间不会干扰。同时，操作系统还可以通过访问权限控制，限制进程对内存的访问权限，防止进程越权操作。

• 内存回收：操作系统需要及时回收不再使用的内存空间，以便为其他进程分配更多的内存。内存回收的方式通常有手动回收和自动回收两种。手动回收是由程序员手动释放内存，自动回收是由操作系统自动回收不再使用的内存空间。

总之，操作系统对内存的管理是保证系统正常运行和资源利用的关键，需要合理分配、保护和回收内存空间，以便为进程提供良好的运行环境。

3.2 虚拟地址的作用

程序中所获得的内存地址，并非是真实的物理内存地址，而是经过一层抽象，虚拟出来的地址。

内存的编号就是地址，并且这个地址是真实地“物理地址”

内存的特性：随机访问，就也是可以访问内存上的任意地址的数据，速度都极快，时间都差不多。

针对进程使用的内存空间，进行“隔离”引入了虚拟地址空间。代码里不再直接使用真实的物理地址，而是使用虚拟的地址，由操作系统和专门的硬件设备负责进行虚拟地址到物理地址的转换。虚拟地址空间，主要就是为了避免进程之间的相互产生的影响。

如果操作系统内核发现当前这里的地址，超出了进程1的访问范围，此时就会直接向进程反馈一个错误。

那如果不引入虚拟地址呢？

如果不引入虚拟地址，当一个进程内存越界，就会影响到另一个进程

然而引入了虚拟地址，谁出 bug ，谁崩溃，其他进程不受影响

3.3 引入虚拟地址后，进程之间如何通信

引入虚拟地址后，虽然进程之间进行了隔离，但是却又引入了新的问题：有时候，进程之间也是需要进行数据交互的，那如何进行数据交互呢？

引入虚拟地址后，进程之间通信需要通过操作系统的支持来实现

操作系统通常提供了以下几种进程间通信方式：

• 管道：管道是一种半双工的通信方式，只能用于具有亲缘关系的进程之间通信，如父子进程。管道是由操作系统内核创建的一个缓冲区，可以通过写入和读取管道来实现进程间通信。

• 消息队列：消息队列是一种基于消息的通信方式，可以用于不具有亲缘关系的进程之间通信。消息队列是由操作系统内核维护的一个消息队列，进程可以通过发送和接收消息来实现进程间通信。

• 共享内存：共享内存是一种高效的进程间通信方式，可以用于具有亲缘关系的进程之间通信。共享内存是由操作系统内核创建的一块内存空间，多个进程可以共享这块内存空间，通过读写共享内存来实现进程间通信。

• 信号量：信号量是一种基于计数器的进程间通信方式，可以用于多个进程之间的同步和互斥。信号量是由操作系统内核维护的一个计数器，进程可以通过对信号量进行操作来实现进程间通信。

• 套接字：套接字是一种基于网络的通信方式，可以用于不同主机之间的进程通信。套接字是由操作系统提供的一种通信接口，进程可以通过套接字进行网络通信。