Linux冯诺依曼体系、操作系统、进程概念、进程状态、进程切换

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专题分栏：Linux

一、冯诺依曼体系结构

二、操作系统

1、概念

2、为什么要有操作系统？

3、理解操作系统

1.管理的本质

2.管理的概念

3.操作系统结构图

4.为什么要有操作系统？

三、进程

1、进程的概念

1.进程的管理

2.进程动态运行

3.进程的task_struct

a.启动

b.进程创建的代码方式

为什么fork的返回值又能大于0又能等于0？

c.task_struct的内容

2、进程的状态

1.Linux的进程状态

2.僵尸进程、孤儿进程

孤儿进程为什么会被os认领？

3.进程的阻塞和挂起，运行

一个进程一旦持有cpu，会一直运行到这个进程结束吗？

操作系统如何对硬件进行管理？

3、进程切换

一、冯诺依曼体系结构

输入设备：键盘、鼠标、摄像头、话筒、磁盘、网卡...

输出设备：显示器、声卡、磁盘、网卡...

CPU：运算器、控制器

存储器：内存

数据时要在计算机的体系结构中进行流动的，流动过程中，进行数据的加工处理。从一个设备到另一个设备，本质是一种拷贝！
数据设备间的拷贝效率决定了计算机整机的基本效率！
存储：距离CPU越近，效率越高，成本越高。
在硬件数据流动角度，在数据层面：

        1）CPU不和外设直接打交道，CPU只和内存打交道。

        2）外设（输入输出）的数据，不直接给cpu，而是先放入内存中。

程序运行，为什么要加载到内存？

        冯诺依曼体系结构规定这么做！

程序=代码+数据：程序数据都要被cpu访问。
程序没有被加载到内存的时候，在哪里？

        磁盘（外设）二进制文件。

二、操作系统

1、概念

操作系统是一款软件，用来进行软硬件资源管理。

广义的概念：操作系统的内核+操作系统的外壳周边程序（给用户提供使用系统的方式）。

狭义的概念：只是操作系统的内核。

2、为什么要有操作系统？

对软硬件资源进行管理（手段），为用户提供一个良好（稳定、安全、高效）的运行环境（目的）

3、理解操作系统

1.管理的本质

管理者管理被管理者的本质就是管理被管理者的数据。

2.管理的概念

先描述，再组织。

pl：对于校长管理学生。

先描述：学生可以通过一张表来进行记录，这张表上写了学生的各种信息 ---链表（对应存储的数据结构）

再组织：校长管理学生就可以转化为校长管理学生链表，对其进行增删改查。

3.操作系统结构图

（系统调用层）用户不能直接对操作系统进行操作，而是通过操作系统提供的系统调用（也就是函数）进行对操作系统的使用，使操作系统处于平稳的状态。
（操作接口层）不是所有的程序员都用系统调用。为了普通开发者能更加方便的使用操作系统，在系统调用的基础上又封装了一层用户操作接口（各种标准库、shell、指令等）。
（驱动层）因为每个硬件的厂商可能不同，其执行的标准可能不同，导致操作系统不能直接对硬件进行管理。所以每个生产硬件的厂商都必须写自己的驱动程序，使操作系统都能对其进行管理。每个硬件都有自己的驱动程序。
跨平台性：不管你是什么操作系统（Linux、Windows），都能在其基础上编写各种语言的代码。原因就是他们都封装了自己的标准库。

4.为什么要有操作系统？

以人为本

对上：提供良好（高效，稳定，安全）的运行环境。

对下：进行硬件管理工作。

三、进程

1、进程的概念

进程 = 内核数据结构task_struct（PCB） + 对应的代码和数据。

task_struct（PCB），包括进程的所有属性和一个内存指针（指向对应的代码和属性）。

操作系统中，进程可以同时存在很多个！
将可执行程序加载到内存中，这个不是进程，只是进程的代码和数据。
调度运行进程，本质上就是让程序控制块task_struct进行排队。
Linux：（指令ps - 查看进程，选项 axj 详细信息）

1.进程的管理

对进程的管理 -> 对链表的增删改查
添加一个进程，就是将磁盘中的可执行程序添加到内存中，然后再进程列表中加入这个进程。
删除一个进程们就是将内存中的可执行程序释放掉，然后删除进程列表中该进程。

2.进程动态运行

进程task_struct在不同的队列中，进程就可以访问不同的资源。

3.进程的task_struct

a.启动

./XXX，本质上就是让系统创建进程并运行。

我们自己写的代码形成可执行程序 == 系统命令 == 可执行文件、在Linux运行的大部分执行操作，本质上都是运行进程！

每个进程都有唯一标识，叫做进程的pid。
用户不能直接获取进程的pid，需要用系统调用 --- pid_t getpid(void)。

因为进程的pid在内存中的task_struct是属于操作系统内部的内核数据结构。

在Linux中，用户可以用 [ ctrl + c ] 来终止进程。（用户层面）
在Linux中，用户也可以用指令 [ kill -9 pid ] 来杀掉进程。（系统调用）

b.进程创建的代码方式

获取当前进程的父进程的pid --- pid_t getppid(void)。
对于同一个进程，每次启动，对应的pid都不一样，这是正常的。
创建进程 --- pid_t fork(void)。

fork之后，父子数据、代码共享。创建一个进程，本质上是系统中多了一个进程、多了一个内核数据结构task_struct。

父进程的代码和数据来自磁盘；子进程的代码和数据默认情况继承父进程的代码和数据（只有当子进程要修改数据的时候，系统才会进行写时拷贝，拷贝出一份新的代码和数据给子进程）
fork函数也是系统调用。
进程具有独立性。

为什么fork的返回值又能大于0又能等于0？

理论上，在fork函数内部，在return返回值之前，子进程就已经创建完毕了。return的时候子进程和父进程各自进行返回，所以才看上去是fork返回了两次。

c.task_struct的内容

进程的 pcb 中会记录自己对应的可执行程序的路径。

每个进程在启动的时候，会记录自己当前在那个路径下启动（进程的当前路径 cwd）

chdir：更改进程的cwd（当前路径）

2、进程的状态

1.Linux的进程状态

task_struct（PCB）中的一个属性：int status；

R（running）：运行状态。进程可能正在运行，也可能在运行队列里。
S（sleeping）：休眠状态。（1、进程在等待“资源”就绪 2、可中断睡眠）
T（stopped）：停止状态。让进程暂停，等待进一步唤醒。
t（trancing stop）：可追踪停止状态。gdb中调试打断点。
D（disk sleep）：磁盘休眠状态。是Linux系统比较特有的一种Linux状态。深度睡眠，不可被中断状态（进程自己醒来，重启-断点）
X（dead）：死亡状态。这个状态只是一个返回状态，任务列表中没有该进程。
Z（zombie）：僵尸状态。子进程退出，但是父进程没有读取到子进程的退出码。
while(1)
{
    // 如果这个打印注释掉，进程会显示R状态；否则大部分是S状态。原因是cpu和屏幕外设的刷新速度不一样，cpu完成运算时，屏幕还在等待进行刷新，所以时S状态。
    printf(""); 
}

2.僵尸进程、孤儿进程

僵尸进程：子进程已经运行完毕，然是需要维持自己的退出信息，在自己的进程task_struct会记录自己的退出信息，未来让父进程进行读取，如果没有父进程读取，僵尸进程会一直存在。

孤儿进程：父进程比子进程先退出，子进程就是孤儿进程。孤儿进程一般都是会被1号进程（OS）进行领养的。

孤儿进程为什么会被os认领？

要保证子进程被正常回收，否则会导致内存泄漏。

3.进程的阻塞和挂起，运行

运行：（在cpu上运行）进程在运行队列中，该进程的状态就是R状态。

一个进程一旦持有cpu，会一直运行到这个进程结束吗？

不会，cpu会给予时间片进行轮转调度的。

让多个进程一切换的方式进行调度，在一个时间段内同时得以推进代码，就叫做并发。

任何时候都同时又多个进程在真的同时运行，我们叫做并行。

阻塞态（S、D状态）：等待键盘资源是否就绪，键盘上篇有没有被用户按下的按键，按键数据交给进程。

操作系统如何对硬件进行管理？

对硬件的数据进行管理的。（先描述，再组织！！！）

进程本身就是软件。
不是只有cpu才有等待队列，各种设备都有自己的等待队列。

阻塞和运行的状态变化，往往伴随着pcb被连入不同的队列中！入队列的不是进程的什么代码和数据，而是进程的task_struct。