1. 冯诺依曼体系结构

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

• 输入单元（设备）：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板，磁盘，摄像头，话筒，网卡等
• 中央处理器(CPU)：含有运算器（算术运算，逻辑运算）和控制器（CPU是可以响应外部事件的，协调外部就绪事件，例如拷贝数据到内存）等
• 输出单元（设备）：显示器，打印机，音响，磁盘，网卡等
   
   

关于冯诺依曼，必须强调几点：

• 这里的存储器指的是内存
• 不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)
• 外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
• 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道
   

1. CPU读取数据（数据+代码）都是要从内存中读取的。站在数据的角度，我们认为CPU不和外设直接交互
2. CPU要处理数据，需要先将外设中的数据加载到内存。站在数据的角度，外设直接和内存打交道

 
 

2. 操作系统(Operator System)

2.1 概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。

笼统的理解，操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
• 其他程序（例如函数库， shell程序等等）

 

2.2 设计OS的目的

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是： 一款纯正的“搞管理”的软件

2.3 如何理解 “管理”

管理是对被管理对象的数据管理
管理理念：先描述，再组织
例如：先对被管理对象进行描述，再根据描述类型，定义对象，可以把对象组织成数组——>对学生的管理工作就变成了对数组的增删查改
Linux内核是用C语言写的struct
OS：内部，一定存在大量的数据结构和算法

2.4 总结

计算机管理硬件:

1. 描述起来，用struct结构体
2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

 

2.5 系统调用和库函数概念

• 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
   
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

 
 

3. 进程

我们自己启动一个软件，本质其实就是启动了一个进程
在linux下，运行一条命令，其实就是在系统层面创建了一个进程
linux是可以同时加载多个程序的，linux是肯同时存在大量的进程在系统中（OS，内存）所以必须管理进程

先描述，再组织
进程 = 对应的代码和数据 + 进程对应的PCB结构体

3.1 描述进程-PCB

PCB process control block
本质是一个结构体struct
不同的操作系统中，PCB的名字不一样
Linux：struct task_struct

.exe可执行程序其实本质就是文件：代码+数据

人认识世界，是通过属性来认识的
属性也是数据
文件 = 内容+属性

PCB包含了所有进程属性（struct）
对进程的管理，变成了对进程PCB结构图链表的增删查改
PCB是新增的

3.2 task_ struct内容分类

• 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

3.3 组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。

 

3.4 查看进程

ps
ps axj
ps axj | greap ‘myproc’
ps axj | head -1 && ps axj | greap ‘myproc’

top

ls /proc 里面的文件是动态的

cwd是当前进程的工作目录,一般都是默认打开当前路径

 
 

3.5 杀掉进程

kill -9 id

 
 

4. 通过系统调用获取进程标示符

• 进程id（PID）
• 父进程id（PPID）永远都是bash

#include 
#include 
#include 

int main()
{
        while(1)
        {
                pid_t id = getpid();//获取的是自己的进程PID
                printf("hello world，pid:%d,ppid:%d\n",id,getppid());
                sleep(1);
        }
}

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5. 通过系统调用创建进程-fork初识

5.1 pid_t fork()

• 运行 man fork 认识fork
• fork有两个返回值
• 父子进程代码共享，数据各自开辟空间，私有一份（采用写时拷贝）

返回值：

• 失败的时候，返回-1
• 成功的时候：
  • 给父进程返回子进程的pid
  • 给子进程返回0

 

5.2 fork的基本用法

fork之后，代码是父子共享的

先写出程序对应的Makefile

一下代码的执行情况是打印了两次you can see me ！

 

fork之后有两个不同的执行流

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if(id < 0)
    {
        //创建失败
        perror ("fork");
        return 1;
            
    }
    else if(id == 0)
    {
        //child process(task)
        while(1)
        {
            printf("I am child,pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);      
        }    
    }
    else
    {
        //parent process
        while(1)
        {
            printf("I am father,pid: %d,ppid: %d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);        
        }    
    }
    return 0;
}
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以下有几个关于frok的问题：

1. 为什么给子进程返回0，给父进程返回子进程的pid？
   比例，父进程：子进程=1：n
   所以父进程唯一，子进程可以有许多个，为了区分所以需要返回子进程的pid

2. 为什么有两个返回值？
   因为fork内部父子会各自执行自己的return语句
   返回两次并不意味着保留两次

3 创建进程的时候，OS要做什么？
要先新建一个task_struct

4. 当我们以及准备return了，我们的核心代码执行完了吗？
   已经完成了
   操作系统和CPU运行某一个进程，本质是从task_struct形成的队列中挑选一个task_struct，来执行它的代码
   进程调度就变成了task_struct的队列中选择一个进程的过程
   只要想到进程，优先想到进程对应的task_struct

5. 父子进程被创建出来，哪一个会先被执行呢？
   不一定
   是由操作系统的调度器决定的

 

6. linux操作系统的进程状态

6.1 理论状态

 

• 新建：字面意思
• 运行：task_struct结构体在运行队列中排队，就叫做运行态
• 阻塞：等待非CPU资源就绪，阻塞状态
  • 系统中一定是存在各种资源的（不仅仅是CPU），网卡，磁盘，显卡等等其他设备，所以系统中不只是只存在一种队列
• 挂起：内存快不足的时候，操作系统会将长时间不执行的进程代码和数据换出到磁盘（swap）此时这个进程在内存中只有PCB，此时进程的状态就叫做挂起
• 退出：字面意思

进程可以分为前台进程和后台进程（&）
./myproc
./myproc &

 

6.2 具体状态：

• R 运行状态（running） : 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。
• S 睡眠状态（sleeping): 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠（interruptible sleep））
• D 磁盘休眠状态（Disk sleep）有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束。
• T 停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。
• X死亡状态（dead）：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。
  • 当服务器压力过大时，os会通过一定的手段杀掉一些进程，来节省空间

 
 

6.3 进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

 
 

7. Z(zombie)-僵尸进程

一个进程已经退出，但是还不允许被OS释放，处于一个被检测的状态
维持该状态是为了让父进程和OS来回收

僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。
当进程退出并且父进程（使用wait()系统调用）
没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程
僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。
所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态

 

7.1僵尸进程危害

进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。
可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态。

维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说， Z状态一直不退出， PCB就一直都要维护。

一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，就会造成内存资源的浪费。
因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！
也会发生内存泄漏

创建一个维持30s的僵尸进程：

#include 
#include 
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id < 0){
perror("fork");
return 1;

}
else if(id > 0){ //parent
printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
sleep(30);
}else{
printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return 0;
}
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8. 孤儿进程

父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？

• 父进程退出，子进程还在，子进程就叫做孤儿进程
• 孤儿进程会被领养，被1号进程领养（init，系统本身）

为什么要被领养？
未来子进程退出的时候，父进程早已不在，需要领养进程来进行回收

写一个孤儿程序：

#include 
#include 

int main()
{
	pid_t id = fork();
	if(id == 0)
	{
		//child
		while(1)
		{
			printf("hello wowo!\n");
		sleep(1);
		}
	}
	else
	{
		//father
		int cnt = 5;
		while(cnt)
		{
			printf("I am father: %d\n",cnt--);
			sleep(1);
		}
	}
	return 0;
}
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运行程序之后，屏幕上打印五行I am father: cnt–（5，4，3，2，1）
之后就一直在打印hello wowo!

这里使用ctrl+c也无法终止程序
所以需要杀掉程序的命令 kill -9 id
先使用ps命令查看ID
ps ajx I head -1
ps ajx | head -1 && ps axj | grep myproc
ps ajx | head -1 && ps axj | grep myproc | grep -v grep
while :; do ps ajx | head -1 && ps axj | grep myproc | grep -v grep; sleep 1; echo "**********************************"; done
如上图所示，输入命令 kill -9 69657 就可以杀掉（回收）程序了

 
 

9.进程优先级

为什么要有优先级？
本质原因就是因为CPU是有限的，而进程太多，所以需要通过某种方式竞争资源。

什么是优先级？
确认是谁应该先获得某种资源，谁后获得
（我们是可以用一些数据来表明优先级的）

调度性
优先级——调度指标

9.1 基本概念

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先（priority）。
• 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。
• 还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能。
   
   

9.2 查看系统进程

linux具体的优先级做法：
1优先级 = 老的优先级 + nice值
老的优先级都是80，每次设置优先级，都要从进程最开始的优先级开始设置

在linux或者unix系统中，用ps –l命令则会类似输出以下几个内容:

• UID : 代表执行者的身份
• PID : 代表这个进程的代号
• PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
• PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
• NI ：代表这个进程的nice值

 

9.3 PRI and NI

PRI，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高
NI,就是nice值，其表示进程可被执行的优先级的修正数值

PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice

当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行

调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值
nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

 
 

9.4 PRI vs NI

需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据

9.5 查看进程优先级的命令

while :; do ps -al | head -1 && ps -la | greap myproc; sleep 1; done

用top命令更改已存在进程的nice：

• 输入top

• 进入top后按“r”
  PID to renic [default pid = 1491]

• 输入进程PID，
  PID to renic [default pid = 1491] 17417

• 之后回车
  Renic Pid 17417 to value

• 输入nice值
  Renic Pid 17417 to value 20

 
 

10. 其他概念

• 竞争性: 系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级
• 独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰
• 并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行
• 并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

CPU调度代码
时间片
抢占与出让

切换：
CPU会存在大量的寄存器
如果进程A正在运行，CPU内的寄存器里面，一定保存的是进程A的临时数据
寄存器中的临时数据叫做A的上下文
上下文的数据可以被丢弃吗？绝对不可以！！

当进程A暂时被切下来的时候，需要进程A顺便带走自己的上下文数据
带走暂时保存的目的：就是为了下次回来的时候，能恢复上去，就能按照之前的逻辑继续向后运行，就如同没有中断过一样。

cpu内的寄存器只有一份，但是上下文可以有多份，分别对应不同的进程