• 【Linux】冯诺依曼体系结构

    目录

    🌈前言

    本篇文章进行操作系统中进程的学习！！！

    🌷1、冯诺依曼体系结构

    我们常见的计算机，如：笔记本，不常见的计算机，比如：服务器，它们都遵循冯诺依曼体系结构

    在这里插入图片描述

    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：

    • 输入设备：键盘、话筒、鼠标、摄像头、网卡和显卡等等

    • 输出设备：显示器、音响、磁盘、网卡和显卡等等

    • 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等

    • 存储器：存储器就是一个内存

    为什么输入设备和输出设备之间还要一块存储器呢？

    【木桶原理】

    • CPU运算速度 > 寄存器 > L1~L3Cache(高速缓冲存储器) > 内存 >> 外设(磁盘) >> 光盘磁带

    • 外设不和CPU直接交互，而是和内存交换，CPU也是如此，CPU只与内存进行交互

    • 内存在我们看来，就是体系结构的一大缓存，为了解决CPU与外设速度不均的问题！！！

    • 从成本角度：寄存器 > 内存 > 磁盘，成本低，能获得较高的性能，让计算机蔓延全世界

    关于冯诺依曼，必须强调几点：

    • 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

    • 我们编写的代码，要运行，必须加载到内存（局部性原理）

    • 几乎所有硬件，只能被动的完成某种功能，不能主动的完成某种功能，一般都是要配合软件完成的(OS+CPU)

    我们平时在qq跟网友聊天，是怎么实现的呢？（省略网络）

    在这里插入图片描述

    聊天时传输文件呢？

    在这里插入图片描述

    🌸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)，它包含：

    • 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(API)， shell程序等等）

    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

    🍀2.2、如何理解管理

    概念：

    • 我们人与人之间的管理是通过管理者发出决策后，然后通过执行者去完成的这个过程

    • 执行者拿到被管理者对象的数据后，将执行的结果反馈给管理者

    管理的本质：

    • 对数据进行管理

    • 不是对被管理对象直接进行管理，而是只要拿到被管理者对象所有的相关数据后。管理者对数据的管理，就可以体现出间接的对人管理

    管理的核心理念：先描述，再组织

    • 人认识世界的方式：通过属性认识世界的

    • 在面向对象的语言中：我们经常说“”一切皆对象

    • 一切事物都可以通过抽取对象的属性，来达到描述对象的目的

    // 比如有一个学生，可以通过它的属性去描述它
class Student
{
// 学生的属性 -- 学号、名字、身高、体重等等...
private:
	string name;	// 名字
	string Id;		// 学号
	int height;		// 身高
	int weight;		// 体重
};

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    管理理解一：管理的本质其实是对数据的管理

    在这里插入图片描述

    管理理解二：

    在这里插入图片描述

    总结：

    1. 计算机管理硬件，通过描述属性，用struct结构体

    2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构来进行管理

    🍃3.2、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

    在这里插入图片描述

    操作系统为什么要给我们提供服务？

    • 计算机和操作系统被设计出来就是为了给我们人提供服务的

    • 我们在使用编程语言进行开发时，就会间接的调了系统调用

    • OS给我们提供服务，可以提高我们开发的效率，比如printf就间接调用了系统调用在这里插入图片描述

    总结：

    • 操作系统是不相信任何人的，不会直接暴露自己的任何数据结构，代码逻辑，其他数据相关细节

    • 操作系统是通过系统调用的方式，向外提供接口服务的！！！

    • Linux是用C写的，这里所谓的“接口”，就是C语言中的函数

    • 我们学习系统编程，本质就是学习系统的接口（函数接口）

    🍁3、进程

    🍂3.1、概念

    进程的基本概念：

    • 课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等

    • 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体

    • 操作系统中有内存管理、进程管理、文件管理和驱动管理，而进程是它们中的一种

    描述进程（PCB）：

    • 进程信息会被放在一个叫进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合

    • 课本上称之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是：task_struct

    task_struct是PCB中的一种：

    • 在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct

    • task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息

    在这里插入图片描述

    🍃3.2、查看进程信息

    查看进程的方法有二种：

    1. 通过【ps】指令进行查询（建议）
    [lyh_sky@localhost lesson10]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson10]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world" << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson10]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson10]$ ./test

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    // 查看进程 -- ps ajx拿到全部进程，然后通过管道流入到grep中，通过grep查找test的进程
// grep也是一个进程，也会显示这个进程的信息
[lyh_sky@localhost lesson10]$ ps ajx | grep 'test'
  3140   3403   3403   3140 pts/1      3403 S+    1000   0:00 ./test
  2998   3405   3404   2998 pts/0      3404 S+    1000   0:00 grep --color=auto test


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    显示ps指令第一行数据，并且搜索打印指定进程的信息，&&是逻辑与左边运行成功就执行右边指令

    [lyh_sky@localhost lesson10]$ ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 'test'
  PPID    PID   PGID    SID TTY       TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
  3140   3718   3718   3140 pts/1      3718 S+    1000   0:00 ./test
  2998   3723   3722   2998 pts/0      3722 S+    1000   0:00 grep --color=auto test

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    1. 进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看（要先知道进程PID为多少）
    • 比如：要获取test程序的进程信息，可以通过ls -al /proc/PID
    [lyh_sky@localhost lesson10]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson10]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
        cout << "hello world" << endl;
        // 获取进程PID，后面讲
        cout << "PID: " << getpid() << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson10]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson10]$ ./test

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    我们学习C语言中文件操作时，使用open打开文件，状态为’w’，没有这个文件会自动在当前路径创建一个新的文件，如何理解“当前路径”呢？

    • 当前路径：当前进程所在的路径，进程会自己进行维护

    • PID和当前路径都属于进程的内部属性，在进程控制块（PCB）的结构体中
      在这里插入图片描述

    🍄3.3、通过系统调用获取进程PID/PPID

    进程分为二种：

    • 父进程id（PPID）

    • 子进程id（PID）

    #include 
#include 
#include 

int main()
{
	printf("pid: %d\n", getpid());
	printf("ppid: %d\n", getppid());
	return 0;
}

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    [lyh_sky@localhost lesson10]$ ls
makefile  test  test.cpp
[lyh_sky@localhost lesson10]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    while (1)
    {
      cout << "父进程PPID: " << getppid() << endl;
        cout << "子进程PID: " << getpid() << endl;
        sleep(3);
    }
    return 0;
}
[lyh_sky@localhost lesson10]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
[lyh_sky@localhost lesson10]$ ./test 
父进程PPID: 3140
子进程PID: 5419


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    为什么我们的父进程总是不变呢？

    • 因为我们在几乎在命令行所执行的所有指令，都是bash进程的子进程

    • bash进程就是shell命令解析器，shell也是一款软件，也要被加载到内存中，电脑开机时自动加载shell

    • OS也是一款软件，电脑开机时也会自动加载操作系统

    在这里插入图片描述

    🍅3.4、通过系统调用创建进程 – fork()

    • fork函数是用来创建子进程的，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）

    • 父进程会返回子进程的PID，子进程会返回0

    [lyh_sky@localhost lesson10]$ cat test.cpp 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	// 调用系统接口创建子进程
    pid_t id = fork();

	// fork()返回0说明是一个子进程，反之父进程
    if (id == 0)
    {
        while (1)
        {
            cout << "我是子进程, 我的pid: " << getpid()
              << ", 我的父进程是: " << getppid() << endl << endl;
            sleep(3);
        }
    }
    else
    {
        while (1)
        {
            cout << "我是父进程, 我的pid: " << getpid()
              << ", 我的父进程是: " << getppid() << endl;           
            sleep(3);
        }
    }
    return 0;
}

[lyh_sky@localhost lesson10]$ cat makefile 
test:test.cpp
	g++ test.cpp -o test
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf test
	
[lyh_sky@localhost lesson10]$ ./test

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    fork()是如何做到会有不同的返回值呢？

    • C/C++中，if…else和多个死循环是不可能同时执行的

    • fork()之后，父进程和子进程会共享代码，一般都会执行后续的代码 – printf/cout打印二次问题

    • fork()之后，父进程和子进程返回值不同，可以通过不同返回值判断，让父进程执行不同的代码

    fork()为什么父进程返回子进程pid，子进程返回0？

    • 父进程与子进程的比例是：1比n（n >= 1）

    • 因为父进程必须有标识子进程的方案，fork()之后，给父进程返回子进程的pid

    • 子进程最重要的是知道自己被创建成功了，因为子进程找父进程成本非常低（getppid）

    fork()为什么会返回二次值？

    • 图解：

    在这里插入图片描述

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_59400943/article/details/127659932