【Linux篇】从冯诺依曼到进程管理：计算机体系与操作系统的核心逻辑

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1.冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成

• 输入单元：包括键盘,鼠标,扫描仪,写板等
• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
• 输出单元：显示器，打印机等

再次强调：
程序运行时必须先从磁盘加载到内存，CPU获取写入只能从内存中拿数据，CPU执行我们的代码，访问我们的数据，数据从一个设备“拷贝”到另一个设备
体系结构的效率：由设备的拷贝效率决定
结论： CPU在数据层面只和内存打交道，外设只和内存打交道

存储分级

由于外设的速度比较慢，CPU的速度较快，所以外设和CPU之间就存在木桶原理，内存的出现让CPU和外设的速度更匹配。
冯诺依曼体系结构的存在使得电脑变便宜了。

理解数据流动

两个人如果在微信上面聊天，本质上是两个冯诺依曼体系之间的信息流通，发信息的人通过输入设备“键盘”进行输入。我们发微信首先得打开登陆微信，即把微信的可执行程序加载到内存。所以在键盘里输入根据冯诺依曼体系是把键盘数据搬到内存（硬件层面），软件层面是把数据交给微信 ，所以数据流动就从输入数据流到存储器。微信信息比如说要加密，把数据“你好”（发送的数据）经过运算器控制，运算器运算完毕之后把“你好”转化成了一个乱码的结构，然后再有CPU写入内存，再由微信把你自己的数据传输到输出设备 ，用户a的输出设备是网卡，网卡把数据交到网络里，通过网络再把数据交给用户b。用户b的输入设备拿到数据，而用户b的输入设备只能是网卡，输入设备拿到数据放到内存里，用户b也必须启动微信，启动的微信也在内存里，在微信里读到的代码再交给CPU，将乱码数据解密成“你好”，再通过存储器刷新到输出设备上，这个输出设备就是显示器。
那如果是发送文件呢？？？
其实文件的本质也是数据，当我们把文件拖到微信程序时，在没拖之前文件是在磁盘上，本质上是把磁盘文件拷贝到微信里面，在经过运算器加密包装回到存储器，在经过网卡发送，对方通过网卡接受，接收后首先要把文件数据读到内存，通过运算器解包解密写回内存，然后把数据写到输出设备。
总结：

• 聊天： 是把用户数据从键盘经过体系结构转发到对方显示器的工作。
• 发送文件： 本质是把文件从本地磁盘经过体系结构拷贝至对方磁盘的过程。

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）

操作系统本质是一款进行软硬件管理的软件

2.2 设计OS的目的

操作系统上面不仅有硬件，而且还有软件

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

1. 软硬件体系结构是一个层状的结构
2. 访问操作系统，必须用系统调用–其实就是函数，只不过是系统提供的
3. 我们的程序，只要判断出访问了硬件，那么它必须贯穿整个软硬件体系结构
4. 库可能在底层封装了系统调用

2.3 核心功能

• 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

2.3.1 如何理解"管理"

• 管理的例子 - 学生（被管理者），辅导员（执行权），校长（决策权）

操作系统就如同校长一样具有决策权，驱动程序就如同辅导员具有执行权，底层硬件就如同学生被管理

1. 要管理，管理者和被管理者不需要见面
2. 管理者和被管理者，根据“数据”进行管理
3. 不需要见面如何得到数据呢？由中间层（辅导员）获取

📌：操作系统通过数据对底层硬件进行管理，而数据是通过驱动程序获取的。
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

 先描述，后组织

• 操作系统对硬件的管理：
  操作系统在自己的内部先描述，再组织，把网卡，硬盘，显卡，键盘，显示器等，统一可以定义一个类，类里面可以包含每一个硬件对应的属性，属性包括硬件的名称，硬件的状态，硬件相关的信息。所以操作系统管理硬件转变成立对硬件的增删查改。
• 操作系统对进程的管理：
  操作系统对进程的管理也类似，操作系统首先要对每个进程建立对应的struct类对象，然后把进程相关的属性放在结构体里，用链接节点连起来，对进程管理转化成对链表的增删查改。

2.4 系统调用和库函数概念

操作系统不相信任何用户或者人，操作系统要向上提供对应的服务，就好比“银行”

操作系统会把自己封装起来，所以系统调用本质上是操作系统提供给我们的系统调用。我们未来在操作系统获取信息等都是通过系统调用完成的。
系统调用的本质是用户和操作系统之间进行某种数据的交互。
结论：

• 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。
• 库函数和系统调用是上下层的关系

3. 进程

3.1 基本概念与基本操作

• 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。

因为操作系统内同时可能有许多的可执行程序加载到内存里，所以必然要对加载到内存中的程序做管理，答案是先描述（给每个可执行程序定义结构体（PCB）Liunx下叫struct task_struct进程控制块），与下一个可执行程序的结构体形成链表，这个链表就叫做进程列表

进程 = 内核数据结构对象 + 自己的代码和数据
进程 = PCB（task_strcut）+ 自己的代码和数据

✏️对进程的管理就变成了对链表的增删查改

✏️进程的所有属性都能直接或者间接在task_struct找到

3.2 描述进程-PCB

基本概念

• 进程信息被放在一个叫做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-PCB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。

3.2.1 task_struct

内容分类

• 标识符（PID）
  描述本进程的唯一标识符，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（PC）
  程序中即将被执行的下一条指令的内存地址。
• 内存指针
  包括程序代码和进程相关数据的指针，以及与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（需补充示意图：CPU 寄存器状态）。
• I/O 状态信息
  包括显式的 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
  可能包含：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
  未明确分类的附加属性。

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。

3.3 查看进程

1.首先我们来自己创建一个进程，我们首先来认识一个进程指令getpid

我们历史上执行的所有指令，工具，自己的程序，运行起来全部都是进程！！
2. 写一个可以查看进程的程序
3.运行程序

4.只要是一个程序我们就可以查看它的进程，但是还不够，我们再打开一个Xshell。在系统上我们有对应的指令让我们去查看当前的进程有哪些。这个指令就叫做ps，我们可以查所有的以特定格式显示的进程，比如ps axj其中的a表示所有进程的意思。

这展现的就是系统中所有的进程。
5. 我们若只想查看我们自己刚刚的进程呢？ps axj | grep myprocess

Linux中我们也可以两条指令同时输入，用;隔开，表示先执行前面的，再执行；后面的。出了这种写法我们也可以ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myprocess,效果和上面一模一样

6. 当我们查进程时会发现这个grep一直存在，为什么呢？我们在查进程的时候grep也是个命令，当它把显示出来的结果做过滤的时候，grep命令一旦跑起来，它自己也是个进程，而它自己过滤关键字里本来就包含myprocess,所以它也会自己把自己查出来，我们如果不想看到grep呢，我们可以ps ajx | head -1 && ps ajx | grep myprocess | grep -v grep,grep -v 表示反向匹配，包含grep的不要，不包含的留下来了

7. 只要是个进程，我们就可以杀掉它，如何杀呢？ctrl + c/kill -9 + pid,杀掉进程。（-9表示一个信号编号）

第二种查看进程的方式：

1. 进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看（以文件的形式查看进程）
   
   每一个数字目录代表特定进程的pid，每个目录包含的内容是这个进程运行时的动态属性

如：要获取PID为3908132的进程信息，你需要查看 /proc/3908132这个文件夹。

2. 3908132文件夹中的内容
   
   在重重之中，我们只需要了解两个
   

3. 大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

上面中我们还遗留了一个信息getppid,表示获取父进程Pid

下面我将讲如何不用指令而用代码创建进程，Linux中所有的进程都是被它的父进程创建的，Linux是一个单亲繁殖系统，只有父进程，没有母进程，所以Linux中所有的进程是一个进程树

4. 获取父进程
   
   运行
   
   重新执行多次
   
   我们看到的现象是他们的父进程都是一样的，那父进程是谁呢？
   
   我们查到的父进程是一个bash,叫做命令行解释器，本质是一个进程，我们每次登陆我们的云服务器，操作系统会给我们每一个用户分配一个bash,-表示远程登陆。
   它先启动“printf”打印命令行，然后再“scanf”
   
   我们历史上执行的命令，比如ls,pwd,mkdir都是进程，他们的父进程全都是bash

5. 父进程如何创建子进程的呢？代码创建子进程的方式，fork是一个系统调用
   

6. 代码演示
   
   
   正常情况下代码刚开始运行都是一个执行流，执行完fork就会变成两个执行流，这两个执行流都会执行后续代码，这就是为什么进程开始运行会出现两次，原因是进程 = PCB + 自己的代码和数据，父进程再创建子进程的时候会把它的PCB拷贝一份给子进程(但子进程pid会被修改)，所以子进程的代码和数据和父进程的一样，所以会运行两次，子进程没有自己的代码和数据，因为目前没有新的程序加载，所以会共享父进程的代码和数据。

7. 让父子进程执行不一样的逻辑
   
   运行结果
   

8. fork的返回值
   

这里提出几个问题：

1. 为什么fork给父子返回各自夫人不同返回值？
   父：子 = 1：n，因为父进程有多个孩子，一定要把子进程的pid返回给父进程，父进程才好区分子进程
2. 为什么一个函数有两个返回值？
   一个函数执行到return,这个函数的核心功能已经做完了
   

写时拷贝：

独立性是如何做到的？数据结构独立，代码共享（代码是只读的，不影响），数据以写时拷贝的方式各自私有一份

3. 为什么一个变量即==0，又大于0，导致if else同时成立？
   返回的本质时写入变量，父和子谁先return谁就先会修改pid_t id这个变量

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