目錄

一、馮諾依曼體系結構

二、操作系統(tǒng)

?1、概念

?2、設計OS的目的

三、進程

?1、基本概念

?2、描述進程-PCB

?3、組織進程

?4、查看進程和終止

?5、通過系統(tǒng)調用獲取進程標識符

?6、通過系統(tǒng)調用創(chuàng)建進程-fork

?7、進程狀態(tài)

?8、特殊進程

? ?8.1 僵尸進程

? ?8.2 孤兒進程

?

一、馮諾依曼體系結構

我們常見的計算機，如筆記本。我們不常見的計算機，如服務器，大部分都遵守馮諾依曼體系。

下面是馮諾依曼體系結構圖：

? 我們所認識的計算機，都是輸入設備、存儲器、運算器、控制器、輸出設備組成的。

• 輸入單元：包括鍵盤，鼠標，掃描儀，寫板，網卡，磁盤等；
• 中央處理器(CPU)：含有運算器和控制器等；
• 輸出單元：顯示器，網卡，打印機等。

? 關于馮諾依曼，必須強調幾點：

• 這里的存儲器指的是內存；
• 不考慮緩存情況，這里的CPU能且只能對內存進行讀寫，不能訪問外設(輸入或輸出設備)；
• 外設(輸入或輸出設備)要輸入或者輸出數據，也只能寫入內存或者從內存中讀??；
• 一句話，所有設備都只能直接和內存打交道。

? 我們的數據需要先從磁盤加載到內存中，然后由CPU讀取并進行計算，將計算的結果再次加載到內存中，最后再由內存寫入磁盤，通過輸出設備將數據交給我們。

? 為什么CPU為什么不能直接訪問外設呢？

? 因為輸入輸出設備稱之為外設，外設一般是很慢的，比如說磁盤，相對于內存，他的速度是非常慢的，但CPU的計算速度確是非常快的。就好比從磁盤的讀取速度很慢，但是CPU的計算速度卻很快，但是整體的速度還是以磁盤的讀取速度為主的，所以整體效率就以外設為主。

??對馮諾依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到對軟件數據流理解上，請解釋，從你登錄上qq開始和某位朋友聊天開始，數據的流動過程。從你打開窗口，開始給他發(fā)消息，到他的到消息之后的數據流動過程。如果是在qq上發(fā) 送文件呢？

? ?首先從鍵盤上讀取信息然后加載到內存，再從內存將數據通過一系列操作發(fā)送到輸出設備上（網卡），然后通過一系列的網絡操作將數據發(fā)送到朋友的輸入設備上(網卡)，朋友的電腦再從輸入設備中將數據讀到內存，然后通過輸出設備(顯示器)就可以將信息發(fā)送到朋友的電腦上。

二、操作系統(tǒng)

?1、概念

? 任何計算機系統(tǒng)都包含一個基本的程序集合，稱為操作系統(tǒng)(OS)?；\統(tǒng)的理解，操作系統(tǒng)包括：

• 內核（進程管理，內存管理，文件管理，驅動管理）；
• 其他程序（例如函數庫，shell程序等等）。

??操作系統(tǒng)是一款進行軟硬件資源管理的軟件。為什么操作系統(tǒng)要對軟硬件進行管理呢？

? 因為操作系統(tǒng)對下要管理好軟硬件資源，對上需要給用戶提供良好（安全、穩(wěn)定、高效、功能豐富等）的執(zhí)行環(huán)境。

? 操作系統(tǒng)管理的本質：先描述，再組織。

• 描述：通過 struct 結構體對各種數據進行描述;
• 組織：通過 鏈表 等高效的數據結構對數據進行組織管理。

? 在計算機中，操作系統(tǒng)就相當于我們的管理者，而硬件驅動就相當于我們的執(zhí)行者，而軟件就是我們被管理者。

? 首先操作系統(tǒng)是不相信任何人的，正如我們是銀行的用戶，經常去銀行存錢，但銀行就信任我們嗎？為了避免用戶中有人惡意破壞，而對操作系統(tǒng)造成傷害， 所以操作系統(tǒng)并不是暴露自己的全部功能而是以系統(tǒng)調用來訪問操作系統(tǒng)。由于系統(tǒng)調用的使用成本可能較高，之后在此基礎上便有人進行二次的軟件開發(fā)而產生了?圖形化界面?和 shell 及工具集。

? ?系統(tǒng)調用與庫函數?

• 在開發(fā)角度，操作系統(tǒng)對外會表現為一個整體，但是會暴露自己的部分接口，供上層開發(fā)使用，這部分 由操作系統(tǒng)提供的接口，叫做系統(tǒng)調用；
• 系統(tǒng)調用在使用上，功能比較基礎，對用戶的要求相對也比較高，所以，有心的開發(fā)者可以對部分系統(tǒng) 調用進行適度封裝，從而形成庫，有了庫，就很有利于更上層用戶或者開發(fā)者進行二次開發(fā)。

?2、設計OS的目的

• 與硬件交互，管理所有的軟硬件資源；
• 為用戶程序（應用程序）提供一個良好的執(zhí)行環(huán)境。

? 計算機的體系的結構是層狀的，一般不可以跳過某個層

三、進程

?1、基本概念

• 課本概念：程序的一個執(zhí)行實例，正在執(zhí)行的程序等;
• 內核觀點：擔當分配系統(tǒng)資源（CPU時間，內存）的實體。

?我們打開任務管理器便會發(fā)現這些正在運行的可執(zhí)行文件都是一個個進程。

?2、描述進程-PCB

• 進程信息被放在一個叫做進程控制塊的數據結構中，可以理解為進程屬性的集合;
• 課本上稱之為PCB（process control block），Linux操作系統(tǒng)下的PCB是: task_struct

?task_struct-PCB的一種

• 在 Linux 中描述進程的結構體叫做 task_struct;
• task_struct 是 Linux 內核的一種數據結構，它會被裝載到 RAM(內存) 里并且包含著進程的信息。

? 操作系統(tǒng)在對我們的進程進行先描述，后組織的時候，會先將我們的程序的共有屬性創(chuàng)建一個結構體，然后對我們的每一個進程創(chuàng)建一個結構體對象，這就是先描述的過程。接下來我們的操作系統(tǒng)會使用特性的數據結構（比如鏈表）將我們的結構體對象組織起來，這就是后組織的過程。然后我們的操作系統(tǒng)對進程的管理就會轉換成對特定數據結構的管理。

? ?所以，進程 =?內核關于進程的相關數據結構+當前進程的代碼和數據。

?task_ struct內容分類

• 標示符: 描述本進程的唯一標示符，用來區(qū)別其他進程;
• 狀態(tài): 任務狀態(tài)，退出代碼，退出信號等;
• 優(yōu)先級: 相對于其他進程的優(yōu)先級;
• 程序計數器: 程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址;
• 內存指針: 包括程序代碼和進程相關數據的指針，還有和其他進程共享的內存塊的指針;
• 上下文數據: 進程執(zhí)行時處理器的寄存器中的數據[休學例子，要加圖CPU，寄存器];
• I／O狀態(tài)信息: 包括顯示的I/O請求,分配給進程的I／O設備和被進程使用的文件列表;
• 記賬信息: 可能包括處理器時間總和，使用的時鐘數總和，時間限制，記賬號等;
• 其他信息。

?3、組織進程

可以在內核源代碼里找到它。所有運行在系統(tǒng)里的進程都以task_struct鏈表的形式存在內核里。

?4、查看進程和終止

查看一個進程的基本信息，我們可以利用命令 ps? -axj? 列出當前系統(tǒng)所用進程信息；

先測試一段代碼：

#include<stdio.h>  
#include<unistd.h>
int main()
{
   while(1)
   {
       printf("我是一個進程！\n");
       sleep(1);
   }
   return 0;
} 

在輸入查看進程的命令，如下所示：?

輸入 ps -axj | head -1 && ps -axj | grep "test"，就可以獲得表頭及帶有 test 的進程。

? 這里我們還需要解釋一個概念那就是 PID 和 PPID 的概念，操作系統(tǒng)里指進程識別號，也就是進程表示符。操作系統(tǒng)里每打開一個程序都會創(chuàng)建一個進程 ID，即 PID 。?當然了，PPID 就是父進程的進程 ID 號。

? 殺死進程

有兩種方法：第一種是Ctrl + c 是強制結束進程，第二種是：用命令的形式，kill -9 PID，指定目標進程殺死。

? 在這里我推薦使用第二種方法。

?5、通過系統(tǒng)調用獲取進程標識符

• 進程id（PID）;
• 父進程id（PPID）.

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
	pid_t t = fork();
	if (t == 0)
	{
		while (1)
		{
			cout << "我是一個子進程" << " pid:" << getpid() << " ppid:" << getppid() << endl;
			sleep(1);
		}
	}
	else if (t > 0)
	{
		while (1)
		{
			cout << "我是一個父進程" << " pid:" << getpid() << " ppid:" << getppid() << endl;
			sleep(1);
		}
	}
	return 0;
}

?6、通過系統(tǒng)調用創(chuàng)建進程-fork

• 運行 man fork 認識 fork；
• fork有兩個返回值；
• 父子進程代碼共享，數據各自開辟空間，私有一份（采用寫時拷貝）；
• fork 之后通常要用 if 進行分流。

??可以看到?fork()?這個函數很特殊，成功創(chuàng)建子進程后居然有兩個返回值，給父進程返回子進程pid，給子進程返回 0，如果創(chuàng)建失敗那么就返回 -1。?

? 如何理解兩個返回值

當 fork() 要對值進行返回的時候，其實在函數的內部創(chuàng)建子進程的工作已經完成，此時已經有了兩個進程，兩個進程繼續(xù)執(zhí)行下面的語句，執(zhí)行完 fork() 之后自然都會有返回值，這樣在我們看來就好像有兩個返回值，實則我們在接收返回值時便已觸發(fā)了寫時拷貝(寫實拷貝就是當操作系統(tǒng)檢測到子進程有寫的操作的時候，操作系統(tǒng)就會給子進程分配相應的物理空間)，看似相同的 ret 實則儲存在不同的空間。

?7、進程狀態(tài)

• R運行狀態(tài)（running）: 并不意味著進程一定在運行中，它表明進程要么是在運行中要么在運行隊列里；
• S睡眠狀態(tài)（sleeping): 意味著進程在等待事件完成 (這里的睡眠有時候也叫做可中斷睡眠 (interruptible sleep));
• D磁盤休眠狀態(tài)（Disk sleep）有時候也叫不可中斷睡眠狀態(tài)（uninterruptible sleep），在這個狀態(tài)的 進程通常會等待IO的結束;
• T停止狀態(tài)（stopped）： 可以通過發(fā)送 SIGSTOP 信號給進程來停止（T）進程。這個被暫停的進程可 以通過發(fā)送 SIGCONT 信號讓進程繼續(xù)運行;
• X死亡狀態(tài)（dead）：這個狀態(tài)只是一個返回狀態(tài)，你不會在任務列表里看到這個狀態(tài).

ps? -axj 指令是查看進程的信息

? (1)R運行狀態(tài)（running）: 并不意味著進程一定在運行中，它表明進程要么是在運行中要么在運行隊列里；?

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
	while (1)
	{
		;
	}
	return 0;
}

運行時，查看進程的狀態(tài)是R+，說明是運行狀態(tài)。

?后面有個+號表示什么意思呢？

這里+表示該進程是前臺運行的，當我們使用ctrl+c的時候能夠終止掉該進程，不寫+表示的是后臺運行的，這時用ctrl+c是無法終止掉該程序的，要用命令殺掉進程來終止。

? (2)S睡眠狀態(tài)（sleeping): 意味著進程在等待事件完成 (這里的睡眠有時候也叫做可中斷睡眠 (interruptible sleep));

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	int n = 0;
	scanf("%d", &n);
	return 0;
}

運行時，查看進程的狀態(tài)是S+，說明是睡眠狀態(tài)。

?(3)T停止狀態(tài)（stopped）： 可以通過發(fā)送 SIGSTOP 信號給進程來停止（T）進程。這個被暫停的進程可以通過發(fā)送 SIGCONT 信號讓進程繼續(xù)運行;

kill -l ：就能顯示所有的信號，而 SIGSTOP 信號對應 19 ，SIGCONT 信號對應 18。

當我們輸入kill -19 PID ，該進程就會處于停止狀態(tài)。

當我們輸入kill -18?PID ，該進程就會恢復狀態(tài)。

? (4)死亡狀態(tài)：這個狀態(tài)只是一個返回狀態(tài)，是一瞬間的，你可能不會在任務列表里看到這個狀態(tài)，因為一個進程死亡后就會變成僵尸進程。

? (5)僵尸狀態(tài)：進程死亡后的狀態(tài)，一個進程死亡后，會處于僵尸狀態(tài)如果其父進程不回收，會一直占用資源，造成內存泄漏。

?8、特殊進程

? ?8.1 僵尸進程

• 僵尸狀態(tài)（Zombies）是一個比較特殊的狀態(tài)。當進程退出并且父進程（使用wait()系統(tǒng)調用） 沒有讀取到子進程退出的返回代碼時就會產生僵尸進程。
• 僵死進程會以終止狀態(tài)保持在進程表中，并且會一直在等待父進程讀取退出狀態(tài)代碼。
• 只要子進程退出，父進程還在運行，但父進程沒有讀取子進程狀態(tài)，子進程進入Z狀態(tài)

下面演示一下僵尸進程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id == 0)
	{
		//子進程
		while (1)
		{
			printf("我是子進程，我的pid :%d,我的ppid: %d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);

		}
	}
	else if (id > 0)
	{
		//父進程
		while (1)
		{
			printf("我是父進程，我的pid :%d,我的ppid: %d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
	}
	else
	{
		perror("fail");
		exit(-1);
	}
	return 0;
}

運行時，當中途用kill -9 PID 殺死子進程，此時子進程就是一個僵尸進程。

? ?8.2 孤兒進程

• 父進程如果提前退出，那么子進程后退出，進入Z之后，那該如何處理呢？
• 父進程先退出，子進程就稱之為“孤兒進程”
• 孤兒進程被1號init進程領養(yǎng)，當然要有init進程回收嘍。

?看下面這段代碼，就是父進程先運行3秒，然后就退出了，此時子進程就是孤兒進程。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	pid_t id = fork();
	if (id < 0) 
    {
		perror("fail");
		return 1;
	}
	else if (id == 0) 
	{
		//子進程
		printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
		sleep(10);
	}
	else 
	{
		//父進程
		printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
		sleep(3);
		exit(-1);
	}
	return 0;
}

運行結果對比：

?

?

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