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1、冯诺伊曼体系结构

问题一：为什么在体系结构中存在存储器（内存）？

存储单元总结：

问题二：为什么程序在运行的时候，必须把程序先加载到内存？

问题三：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。

2、操作系统

2.1操作系统的概念：

我们首先要明白什么是管理：

2.2为什么要有操作系统？

2.3操作系统如何保证稳定和安全呢？（利用系统调用函数解决）

库函数和系统调用的关系：

3、那到底什么是进程呢？（重要！）

3.1、什么程序加载到内存，变成一个进程之后，我们要给每一个进程形成一个PCB对象呢？

3.2、PCB进程标识符：

4、fork函数初识

4.1、fork函数的作用：

4.2、使用方法（一般都用if分流）

4.3、关于fork函数的灵魂三问：

1、为什么给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0？

2、fork函数为什么会返回两次？

3、这里的id为什么会同时满足 == 0 又满足>0呢？

问题：为什么我们在磁盘上将一个程序删了，这个程序还能运行呢？

5、进程排队：

6、进程状态：

6、1那什么是挂起状态呢？

6.2、Linux下具体的进程状态：

D状态深度睡眠又是什么呢？

6.3、为什么要有Z状态？

6.4、什么是僵尸Z状态？

6.5、僵尸进程危害：

7、什么是孤儿进程？

1、冯诺伊曼体系结构

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
• 存储器：指的是内存（掉电易失）
• 运算器主要进行算术运算（加减乘除）和逻辑运算（判断真假）

设备是互相连接的，目的是让设备之间数据流动，本质是让设备之间进行数据的来回拷贝（拷贝的整体速度，是决定计算机效率的重要指标）

问题一：为什么在体系结构中存在存储器（内存）？

输入输出设备的运行速度就会拖累cpu的运行速度，跟木桶原理一个道理，那存储器并没有解决短板的问题，那怎么提高运行速度呢？

我们把内存看做一个非常大的缓存，介于设备和CPU之间
利用预存和缓存的机制，将计算机的效率最终变成了内存效率为主

存储单元总结：

距离CPU越近的存储单元，效率越高，造价贵，单体容量越小

距离CPU越远的存储单元，效率越低，造价便宜，单体容量大

所以内存的引入，可以让我们的计算机效率不错，且价格比较便宜，这样我们才能买的起电脑

问题二：为什么程序在运行的时候，必须把程序先加载到内存？

因为冯诺依曼体系决定的！

在数据层面，CPU只和内存打交道；外设只和内存打交道。

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。

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，

问题三：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。

我们先通过键盘输入消息，然后加载到内存，CPU从内存中读取数据，进行加密和计算后再放到内存，显示器（显示消息到屏幕上）和网卡（发送数据到网络）再从内存中读取数据。（忽略网络部分处理细节）

        朋友电脑的网卡从网络上获取到了我们发送的数据，然后加载到内存，CPU从内存中读取数据，进行解密和计算后再放到内存，显示器再从内存读取相关的数据，显示到屏幕上。

总的来说，就是外设->内存->CPU->内存->外设

2、操作系统

2.1操作系统的概念：

操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件。

我们首先要明白什么是管理：

管理就是做决策+做执行。

管理者和被管理者，并不需要见面，管理的本质是对人的信息（数据）做管理。

管理者的核心工作是做决策，根据数据做决策。

总结为六字真言：

先描述，再组织

语言的本质就是对数据的管理

2.2为什么要有操作系统？

对下管理好软硬件资源（手段），对上提供一个良好（稳定、高效、安全）的运行环境（目的）

2.3操作系统如何保证稳定和安全呢？（利用系统调用函数解决）

任何人不得访问操作系统中的任何数据，需要利用系统调用的函数

不能直接越过操作系统！系统调用接口很重要

所谓的系统调用接口，其实就是函数，用C语言设计的函数，由操作系统提供：系统调用函数

库函数和系统调用的关系：

只要库函数调用了系统调用，他们两个就必然是上下层的关系，库函数在上，系统调用在下，

3、那到底什么是进程呢？（重要！）

进程 = 内核PCB对象（内核的数据结构） + 可执行程序

这里的PCB到底是何方神圣呢？进程控制块（process control block）

在Linux环境下，PCB就是task_struct，存储进程的所有属性，操作系统内部的数据

未来，所有对进程的控制和操作，都只和进程的PCB有关，和进程的可执行程序没有关系

我们所说的让一个进程去排队，本质上是让PCB去排队，而不是让可执行程序去排队

对进程的管理，转换为对PCB对象的管理

3.1、什么程序加载到内存，变成一个进程之后，我们要给每一个进程形成一个PCB对象呢？

因为操作系统要进行管理！（先描述，再组织）

PCB这些内容都是在操作系统内部的数据

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

3.2、PCB进程标识符：

下面主要讲解标识符，描述进程的唯一标识符，用来区别其他进程

getpid是我们第一个学习的系统调用函数，用来获得该进程的标识符。

每一次启动进程的pid几乎都会变化，因为我的进程是一个新的进程！

一般在Linux中，普通进程，都有他的父进程！

通过系统调用获取进程标示符
进程id（PID）
父进程id（PPID）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
printf("pid: %d\n", getpid());
printf("ppid: %d\n", getppid());
return 0;
}

4、fork函数初识

4.1、fork函数的作用：

通过系统调用创建进程。它的作用是从已经存在的进程中创建一个子进程,而原进程称为父进程

4.2、使用方法（一般都用if分流）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int ret = fork();
if(ret < 0){
perror("fork");
return 1;
}
else if(ret == 0){ //child
printf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}else{ //father
printf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);
}
sleep(1);
return 0;
}

4.3、关于fork函数的灵魂三问：

1、为什么给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0？

• 在‌父进程中‌，fork函数返回新创建子进程的进程ID。这是因为父进程需要通过这个返回值来跟踪和管理其创建的子进程。
• 在‌子进程中‌，fork函数返回0。这是因为子进程可以通过这个返回值来判断它是否成功创建，并且由于子进程只有一个父进程，它的ID可以通过getppid()获得父进程的ID，而子进程的ID（虽然与父进程ID不同）在fork函数返回时已经被系统内部记录下来。

父进程会有多个子进程，但是子进程只会有一个父进程，一对多的关系

2、fork函数为什么会返回两次？

当fork函数被调用时，它会创建一个新的子进程，这个子进程是父进程的一个复制品，它们共享相同的代码段和部分数据段。由于子进程是父进程的一个副本，因此它们都会执行fork函数之后的代码。这就导致了fork函数在父进程和子进程中都会“返回”，但返回的值不同

fork之后，我们的父和子都会进行，代码共享，一般而言，我们想让父子做不同的事情。调用fork函数，会返回不同的值分别给父子进程

父子进程执行不同的代码块

3、这里的id为什么会同时满足 == 0 又满足>0呢？

这是因为有两个进程，进程之间是具有独立性的，互相不能影响！

问题：为什么我们在磁盘上将一个程序删了，这个程序还能运行呢？

我们在运行一个程序时，本质是把程序从磁盘拷贝到内存，换句话来说就是你把这个程序在磁盘上删了，但是这个程序比较小，已经拷贝到内存，在内存上运行了，成为一个进程，就与磁盘上的程序没有关系了

5、进程排队：

进程为什么会排队呢？一定是在等待某种“资源”，比如下面的scanf就需要等待键盘给他传输资源。

只要是排队，一定是进程的task_struct进行排队。

6、进程状态：

教材上关于进程状态的表述：运行、阻塞、挂起

所谓的状态，本质就是一个整形变量，在task_struct中的一个整型变量

状态决定了什么？决定了你的后续动作，Linux中可能会存在多个进程都要根据它的状态执行后续动作（进程开始排队了！）

当我们的进程在进行等待软硬件资源的时候，资源如果没有就绪，我们的进程task_struct只能1、将自己设置为阻塞状态2、将自己的PCB连入等待的资源提供的等待队列。

状态的变迁，引起的是PCB会被OS变迁到不同的队列当中。

当我们的软硬件资源准备就绪后，进程状态就会从阻塞状态调整到运行状态！

6、1那什么是挂起状态呢？

我们这里主要讲的是阻塞挂起，这个状态的前提是计算机资源比较吃紧了！

挂起状态就是将数据从内存，换出到磁盘上面 ，当计算机资源恢复后，数据会从外设转入到内存中

6.2、Linux下具体的进程状态：

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态下面代码是状态在kernel源代码里定义：

static const char * const task_state_array[] = {
"R (running)", /* 0 */
"S (sleeping)", /* 1 */
"D (disk sleep)", /* 2 */
"T (stopped)", /* 4 */
"t (tracing stop)", /* 8 */
"X (dead)", /* 16 */
"Z (zombie)", /* 32 */
};

• 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。这个被暂停的程序可以通过发送 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

S状态其实与操作系统中的阻塞状态（等待某种资源）是一致的！！！

D状态深度睡眠又是什么呢？和S睡眠有什么区别？

深度睡眠，不可中断睡眠。

相当于给进程一个免死金牌，我们要知道在Linux环境下，在操作系统逼急的时候，是会杀掉进程！如果这个进程很重要，就会造成很大的损失，因此这个D状态就相当于给了进程一个免死金牌，不会被进程所杀掉。

注意D状态依旧是阻塞状态

kill -19 pid 就会让一个进程进入T状态，也就是暂停状态

继续运行就是 kill -18 pid

子进程最终的状态都是Z

注意状态标识后面有+，就代表是前台进程，可以直接^C杀死，但是如果没有+，就说明这个进程变成了后台进程，不能用^C杀死，只能kill-9方法

后台进程，我们用普通的^C是停止不掉的，那怎么停止呢？

我们可以使用这样的命令：kill -9 pid（该进程的pid）

6.3、为什么要有Z状态？

创建进程是希望这个进程给用户完成工作的，子进程必须得有结果数据返回给父进程

6.4、什么是僵尸Z状态？

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,后面讲）
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

6.5、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？是的！
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一直都要维护？是的！
那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？也就会造成内存的泄露！

7、什么是孤儿进程？

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？
父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”