​🌠 作者：@阿亮joy.
🎆专栏：《学会Linux》
🎇 座右铭：每个优秀的人都有一段沉默的时光，那段时光是付出了很多努力却得不到结果的日子，我们把它叫做扎根

👉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的。

• 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

关于冯诺依曼体系结构，必须强调几点：

• 这里的存储器指的是内存，内存掉电易失。而磁盘输入外存，其具有永久性存储能力。
• 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。
• 有些硬件既是输入设备，又是输出设备，如磁盘和网卡。
• 外设是相对于内存和 CPU 而言的。
• 运算器 + 控制器 + 其他 = CPU。
• 所有的外设有数据需要加载，只能加载到内存中。内存写出数据，也是写到外设中。
• CPU 不和外设直接打交道，只能和内存直接打交道。

CPU 在读取和写入数据的时候，在数据层面上，只和内存打交道是为了提高整机运算效率。因为磁盘的速度是较慢的，内存的速度是较快的，CPU 的速度是快的，如果 CPU 直接向磁盘读取和写入数据，就会降低了整机的运算效率。

CPU 很快，但也很笨。它只能被动地接收别人的指令和数据，然后执行别人的指令和计算别人的数据。CPU 中有自己的指令集，分为精简指令集和复杂指令集。而编译代码的本质就是形成二进制可执行程序，翻译成 CPU 能够认识的指令，让 CPU 帮我们做计算。

程序要运行必须加载到内存中。那为什么要加载到内存中呢？CPU 要执行我的代码，访问我的数据，只能从内存中读取，这是冯诺依曼体系结构规定的！

对冯诺依曼体系结构的理解，不能只停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上。请解释，从你登录上 QQ 开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。 从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在 QQ 上发送文件呢？

首先，先将我们 QQ 程序加载到了内存，CPU 再执行 QQ 程序的代码。如果我们从键盘中输入“你好”并点击发生，“你好”这个信息先加载到内存，然后再交给 CPU 处理，最后 CPU 将结果交给内存，内存再将结果交给显示器和网卡。经过网络传输后，朋友电脑的网卡接收到信息，然后交给其内存中，然后经过 CPU 处理后，再显示到朋友电脑的显示器上。

👉操作系统（Operator System）👈

在之前的博客，我们提到过：操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件。为什么要管理呢？操作系统要通过合理地管理软硬件资源（手段），为用户提供良好的（稳定的、高效的和安全的）执行环境（目的）。

那操作系统是如何将软硬件资源管理起来的呢？为了更好地理解操作系统是如何管理软硬件资源的，我们先来看一下生活中的例子：在学校里，假如校长（管理者）从未和学生（被管理者）进行过交流，校长也能够很好地将学生管理起来。那么，我们可以得出一个堆管理者的理解：管理者不需要和被管理者进行直接交互，也能够把被管理者管理起来。管理者对重大事宜有决策的权利的，而决策是有依据的。那这是怎么做到的呢？ 虽然学生不直接和校长打交道，但是学生的所有数据（绩点、各科成绩等）早已经被校方拿走了，而且这些数据一直都在更新。那么，校长只要管理好这些数据，就能将学生管理起来了。总的来说，管理的本质就是：对数据做管理。

管理者是通过被管理者的数据来进行管理的。那管理者是如何一直拿到这些数据呢？那么管理者和被管理者之间还有执行者，执行者会执行管理者的决策以及和被管理者接触，拿到被管理者的数据交给管理者。在学校里，校长就是管理者，辅导员就是执行者，学生就是被管理者。而在计算机里，操作系统就是管理者，驱动程序就是执行者，硬件就是被管理者。

• 管理者通过对数据进行管理实现对被管理者的管理
• 数据的采集和决策的执行由执行者来做

校长要管理的学生很多，那么需要管理学生的信息也很多，但是需要管理的信息种类是一样的。那么，一个学生的各种信息可以定义成一个结构体，每个学习的信息结构体链接在一起就形成了链表。那么现在对学生数据做管理就变成了对链表做管理。

那么，以上的过程就是先描述（面向对象），再组织（数据结构）。其实，所有的管理，本质逻辑都是先描述，再组织。

• 管理的本质是对数据进行管理
• 管理的方法是先描述，再组织

以上是操作系统对硬件的管理方式，其是操作系统对软件也是这样子进行管理的。软件能管理硬件，也能够管理软件。

操作系统是不相信任何人的，它是很容易受到伤害的，但是操作系统也必须给上层用户提供各种服务。那如何解决呢？那么，在用户和操作系统之间还有一层系统调用接口，而这些接口也是用C语言写的，如：fork 和 wait 等等。

在系统调用上面还有一层，分别是 shell 、C / C++ 的库（lib）和界面等。shell 可以满足用户的指令操作，C / C++库满足用户的编程操作，它们都需要系统调用接口来完成相关操作。

系统调用和库函数的概念

• 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。

计算机软硬件体系结构

👉进程👈

什么是进程

在课本上，我们经常会看到一个运行起来（加载到内存）的程序就是进程、进程和程序相比具有动态性等等的说法。其实，这些说法都是不全面的。那么接下来，我们一起探讨什么是进程？

我们写代码经过编译和链接后，形成了可执行程序。而程序的本质是在磁盘上放着的文件。程序想要运行起来，首先需要加载到内存。那么，内存了肯定会有很多被加载进来的程序，那么操作系统如何管理这些程序呢？是不是先描述，在组织啊？

为了描述这些程序，就引入了进程控制块（Processing Control Block）的概念。而进程等于内核数据结构（struct task_struct）+ 进程对应的磁盘代码。

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。

查看和杀死进程

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep '进程名' #查看指定进程
kill -9 进程的PID #杀死指定进程

注：PID （Process ID）是进程的标识符。grep 指令也是一个进程。进程在调度运行的时候，进程具有动态属性

注：getpid 函数是获得当前进程的 PID，而 getppid 函数是获得当前进程的父进程的 PID。

查看进程目录 ls /proc

注：删掉进程对应的可执行程序，进程还可以跑。因为进程跑起来就和可执行程序没有什么太大的关系了。Ctrl + C 可以退出前台程序。

如果我们把我们的进程退出再运行起来，如此重复。我们会发现一个现象：子进程的 ID 一直在变，而父进程的 ID 一直不变。这是为什么呢？

那么，我们就来看看这个父进程是什么。

其实该父进程就是 bash，该进程是云服务器开启时系统帮我们创建好的。一般情况下，命令行上启动的进程的父进程都是 bash。shell 以创建子进程的方式来跑我们的程序，子进程出问题了，父进程不会受到任何的影响。那 shell 是如何创建子进程将我们的程序跑起来的呢？这部分内容将在进程控制里讲解。接下来，我们来学习一下如何创建子进程。

创建子进程

fork 是一个创建子进程的函数。

注：vim 的批量化注释：先摁下 Ctrl + V 键，再连续摁下方向键（j - 向下，k - 向上）至你想要注释的内容，再摁下 Shift + i 键，最后输入 // 就可以实现批量化注释了。

上面只是一个小小的例子，我们通常不这么来写代码。

对于 fork 函数，我们重点研究它的返回值。如果子进程创建成功，将会给父进程返回子进程的 ID，给子进程返回 0。如果子进程创建失败，将会给父进程返回 -1。

知道了 fork 函数的返回值后，我们对上面的代码再进行修改并让程序跑起来。

上图的结果，很好地说明了子进程创建成功，将会给父进程返回子进程的 ID，给子进程返回 0。但我有一个问题，为什么同一个变量 id在后续不会被修改的情况下有不同的内容呢？现在这个知识点，无法给大家讲解，这里涉及了进程地址空间的内容。

fork 函数真正的用法是利用分支结构来让父子进程执行不同的代码，那我们再把上面的代码修改一下。

现在父子进程在一起运行，那么这就是多进程了。那现在问题来了，如果是 C语言的话，if - else if - else 结构能够同时成立吗？很明显不能！但是现在似乎可以了。其实真正的原因是 fork 函数执行之后，会有父子进程两个进程在执行后续的代码，也就是说 fork 函数之后的代码，被父子进程共享。那么，我们就可以通过返回值的不同，让父子进程执行后续共享代码的一部分。

👉总结👈

本篇博客主要讲解了冯诺依曼体系结构，什么是操作系统、库和函数调用的区别、什么是进程、如何查看和杀死进程以及如何创建子进程等等。那么以上就是本篇博客的全部内容了，如果大家觉得有收获的话，可以点个三连支持一下！谢谢大家！💖💝❣️