冯诺依曼体系结构

硬件——冯诺依曼

输入：键盘，话筒，摄像头，磁盘，网卡

输出：显示器，音响，磁盘，打印机

存储器：内存

cpu（运算器+控制器）

运算器：运算计算（+,-,*,/）+逻辑计算（|,&,^）

控制器：协调数据流向，流多少

外设不与cpu打交道，外设输入输出数据，是写入内存或从内存中读取

cpu只能对内存读写，不能访问外设

比如：使用qq与好友发送消息的数据流动

从键盘外设输入数据，数据放入到内存，cpu读取内存中的数据，进行计算，再放入到内存中，再把这个数据输出到网卡中，通过网络，数据到达好友的网卡（外设输入），数据进入内存，cpu读取内存中的数据，经过cpu的计算，再放到内存中，输出到显示器上。

在我们写完一个代码，经过编译成一个可执行程序，要运行这个程序，需要先把这个程序加载到内存,为什么要加载到内存？

体系结构规定

对于硬件来说，只能被动的完成某种功能，不能主动的完成某种功能，只能通过软件（操作系统）来进行

软件——操作系统

操作系统本质上就是搞管理的软件

操作系统管理硬件，并不是直接管理硬件，而是通过操作系统管理驱动程序，驱动程序管理硬件来间接管理硬件。

进程：是一个运行起来的程序（程序加载到内存）

管理是对信息的管理，操作系统管理进程，就是先将进程数据化，再管理这个数据，但是在操作系统中会同时存在大量进程，所以就需要对这些进程数据化后的数据进行组织。

在linux中，是先将进程的代码和数据先加载到内存，

再对进程的数据化，是采用结构体 task_struct（pcb：进程控制块）（在这个进程控制块内存储进程所有的属性数据），

对进程的组织化，就是将多个进程的pcb通过双链表来链接起来

由此得出：进程 = 可执行程序代码，数据 + 该进程对应的内核数据结构

操作系统不会直接暴露自己的任何数据结构，代码逻辑，其他数据相关的细节

操作系统是通过系统调用的方式，对用户提供接口服务

linux是由c语言写的，这里所谓的系统调用接口，本质就是c语言接口

查看进程

每个进程都有一个唯一的标识符pid

查看进程的第一种方式

ps axj|grep 'mytest'|grep -v grep //查找mytest进程

查看进程的第二种方式

在/proc中存放实时进程信息，/proc/pid中存放该pid号的进程信息

cwd：进程当前的工作路径

工作路径：该进程在那个路径被打开的，那个路径就叫工作路径

exe：进程对应的可执行程序的磁盘文件

可执行程序是文件，存储在磁盘中

通过系统调用获取进程标识符

• 进程id（PID）

• 父进程id（PPID）

  #include<stdio.h>
  #include<unistd.h>
                                        
  int main()
  {
    printf("该进程的pid为：%d\n",getpid());
    printf("该进程的父进程的pid为：%d\n",getppid());
    return 0;
  }
  

  

杀掉进程

kill -9 pid		//杀掉进程

由下图可知，这两个进程的pid的不同，但是它们的父进程的pid相同

这个父进程为bash，几乎我们在命令行上所执行的指令，都是bash进程的子进程

通过系统调用创建进程-fork

• fork有两个返回值
• 父子进程代码共享，数据各自开辟空间（由写时拷贝实现）
• fork会给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  int ret=fork();
  if(ret==0)
  {
      printf("hello world,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
  }
  else
  {
      printf("hello byld,pid:%d,ppid:%d\n",getpid(),getppid());
  }
  return 0;
}

fork之后，创建出子进程，父进程和子进程会共享全部代码，一般会执行后续代码

fork之后，创建出子进程，这个子进程是如何创建的？

fork之后，内存中就会存在子进程的task_struct(pcb)+子进程的代码和数据

子进程的task_struct(pcb)以父进程的task_struct(pcb)为模板初始化（并不是完全一样）

printf为什么会打印两次？

因为fork()返回值不同，通过返回值不同，判断，让父子执行不同的代码块

fork为什么会有两个返回值？

因为fork函数返回了两次

那么fork函数为什么会返回两次？

因为fork函数是创建子进程的，在到达fork函数中的return语句时，这个函数的核心功能已经实现了，子进程已经创建了，并且放入到运行队列中，这时有一个父进程，一个子进程，两个进程分别执行return语句，返回两个pid

如何理解进程被运行？

在CPU中，有一个运行队列runqueue，runqueue中会有一个指针，会指向这个双向链表的第一个节点(pcb)，等待被调度，调度这个进程时，这个pcb 会被保存到CPU的寄存器中，CPU就会通过这个pcb找到这个进程代码，将代码加载到CPU中的pc指针，执行。

在创建一个子进程之后，这个子进程放入运行队列，等到调度这个进程时，因为这个子进程和父进程共享代码，就会找到父进程的代码，执行。

fork为什么给父进程返回子进程的pid，给子进程返回0 ?

父进程必须标识子进程的方案（因为一个父进程可以有多个子进程），fork之后，需要给父进程返回子进程的pid

子进程最重要是要知道自己被创建成功了，因为子进程找父进程成本低（一个子只有一个父，不用标识）

进程状态

在操作系统，进程状态大致分为四种

• 运行态
• 终止态
• 阻塞态
• 挂起态

运行态

**概念：**进程只要在运行队列中就叫运行态，随时可以调度

终止态

**概念：**进程依旧存在，但是永久不运行，随时等待被释放

阻塞态

概念：进程等待某种资源（非CPU），资源没有就绪的时候，进程需要在该资源的等待队列中进行排队，此时进程的代码并没有运行，进程所处的状态叫做阻塞

一个进程，在使用资源的时候，不仅仅是在使用CPU资源，进程可能申请其他资源：磁盘，网卡，显卡，显示器资源，声卡，音响

如果我们申请CPU资源，展示无法满足，需要排队——运行队列

那么如果我们申请其他慢设备的资源呢？

也是需要在这些慢设备的等待队列中排队

因为操作系统管理硬件资源，将硬件资源数据化，所以这些硬件都有自己对应的结构体，在结构体中会有对应硬件的属性信息以及等待队列

当进程访问某些资源（磁盘，网卡），该资源如果暂时没有准备好，或者正在给其他进程提供服务，此时，当前进程（pcb）要从**runqueue（运行队列）中移除，将当前进程放入对应设备的描述结构体的等待队列**

当这个进程在等待外部资源时，该进程的代码不会被执行（进程卡住了，进程阻塞）

当外部资源准备就绪后，将进程的**pcb放回到CPU的运行队列**中

这些工作都是由操作系统完成的，操作系统对进程的管理工作

挂起态

将源文件编译成可执行程序（.exe）,是存储在磁盘中的，将可执行程序加载到内存中，将它数据化成pcb，在内存中就会存在这个进程内核的数据结构 + 对应的代码和数据，如果有多个进程同时运行，内存中就会有多份进程内核的数据结构 + 对应的代码和数据，这时，可能会导致内存的空间不足。

为了解决这个问题，就有了进程挂起

进程挂起：短期内不会被调度（等待的外部资源不会被就绪），他的代码和数据依旧在内存上，会导致空间浪费，操作系统就会把该进程的代码的数据置换到磁盘的swap分区

所以，往往内存不足的时候，伴随着磁盘被高频率访问

Linux进程状态

Linux内核源代码

/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
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)

在运行队列中

S（阻塞状态）

浅度睡眠，可以杀掉，可以随时叫醒（操作系统和用户（可以被杀掉）都可以唤醒它）

在等待资源，资源就绪，操作系统将其变为R状态（运行状态）

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
  while(1)
  {
    printf("hello world\n");
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

这个进程大部分时间都在等显示器资源，所以处于S（阻塞状态）

D（阻塞状态）

深度睡眠，不可杀掉

在Linux中，如果我们等待的是磁盘资源，进程阻塞所处的状态就是D

Z（僵尸状态）

当Linux中的进程退出的时候，不会直接进入X（死亡状态），而是先进入僵尸状态

为什么要进入僵尸状态？

因为当这个进程执行结束，退出，进程需要把它的任务完成的如何告诉父进程，将进程的执行结果告知父进程

僵尸状态，就是为了维护退出信息（退出信息会写入到pcb中），可以让父进程或者操作系统读取的。（如何读取呢？ 通过进程等待让父进程读取）

X（死亡状态）

该状态下的进程，可以被释放

如何模拟僵尸状态？

创建子进程，子进程退出，进入僵尸状态，父进程不退出，也不进程等待（接收子进程的结果）子进程

长时间僵尸，有什么问题？

如果僵尸状态的进程不被回收，该进程就会一直僵尸进程，会导致内存泄漏

僵尸进程不能被杀死？？

模拟僵尸状态

#include<stdio.h>                                        
#include<unistd.h> 
int main()
{
    int id=fork();
    if(id==0)
    {
        printf("该进程为子进程，pid为%d，ppid为%d\n",getpid()    ,getppid());
    }
    else
    {
        while(1)
        {
            printf("该进程为父进程，pid为%d，ppid为%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(1);
      	}
    }
    return 0;
}

孤儿进程

子进程还在运行，但是父进程提前退出

父进程退出，为什么没有进入僵尸状态，而是直接没了

如果父进程提前退出，子进程还在运行，父进程依旧会进入僵尸状态，只不过父进程很快会被bash进程回收，进入死亡状态，释放，而子进程会被1号进程（就是操作系统）领养

模拟孤儿进程

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>  

int main()
{
    int id=fork();
    if(id==0)
    {
        while(1)
        {
            printf("该进程为子进程，pid为%d，ppid为%d\n",getpid(),getppid());
        	sleep(1);
        }
    }
    else
    {
        printf("该进程为父进程，pid为%d，ppid为%d\n",getpid(),getppid());               
    }
    return 0;
}

t（暂停）

进程被调试的时候，遇到断点的状态

kill - 9 杀死进程

kill -19 暂停进程

kill -18 继续进程

在进程状态中我们可以看到有的进程后有+

状态后面有+是前台进程（可以ctrl+c杀掉进程）

后台进程，不能用ctrl+c，只能用kill -9 杀掉

进程优先级（top）

优先级vs权限

优先级：是进程获取资源的先后顺序

权限：是能还是不能的问题

优先级存在是因为在系统内，进程占大多数，而资源是少数，进程竞争资源是常态，一定要确定优先级

Linux下的优先级的相关概念和操作

ps -l //查看与bash进程相关的进程

在进程信息中，会看到PRI和NI，

• UID：代表执行者身份
• PID：代表这个进程的代号
• PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
• PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
• NI ：代表这个进程的nice值

要更改进程优先级，需要更改的不是PRI，而是NI

NI:进程优先级的修正数据

Linux不允许进程无节制的设置优先级

PRI=PRI_OLD+NI //每次设置优先级，这个PRI_OLD都会被恢复为80

NI范围[-20,19]

PRI范围[60,99]

查看进程优先级的命令

用top命令更改已存在进程的nice：

• top
• 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值

其他概念

• 竞争性：系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级

• 独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰（进程运行具有独立性，不会因为一个进程挂掉或者异常，而导致其他进程出现问题）（进程通过进程地址空间使其具有独立性）

• 并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行

• 并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

  我们的电脑大多都是单CPU，但是我们的电脑有多种进程在跑？？？

  当这个进程运行时，并不是直到这个进程运行结束，这个进程一直占用这个CPU，我们的操作系统大多都是分时的

  操作系统会给每一个进程，在一次调度周期中，赋予一个时间片的概念，一个进程的时间片运行完，就运行下一个进程，到下一个调度周期，继续上一次的运行，这样就可以在一个时间段内，多个进程会通过切换交叉的方式，让多个进程代码，在一段时间内得到推进（能够继续推进，是因为CPU中有pc指针（程序计数器）），这就叫做并发

操作系统，不是根据简单的队列顺序进行调度的，而是抢占式内核

当一个进程正在运行，如果来了一个优先级更高的进程，调度器会将运行的进程从CPU上剥离下来，放上优先级更高的进程，这就是进程抢占

进程间切换

在CPU中的寄存器，可以临时存储数据

在进程在CPU上运行时，会产生大量数据，这些数据会暂时存放在CPU的寄存器上，在寄存器上的数据，我们称之为这个进程的上下文数据，当这个进程的时间片结束或者被进程抢占，这个进程会从CPU上被剥离，在寄存器上的上下文数据会被存储到这个进程的pcb中，等下次调度这个进程时，再从pcb中拿到上下文数据，放到寄存器中，继续执行。

环境变量

为什么我们的代码运行要带路径，而系统的指令不用带路径 ?（系统的指令也是程序）

因为系统中存在相关的环境变量，保存了程序的搜索路径

系统中存在一个环境变量：PATH，可以搜索可执行程序

PATH中保存的是可执行程序的路径，当使用指令是，就在PATH中搜索对应的路径，找到指令，执行，停止搜索

echo $ PATH		//输出PATH内容，加上$是显示PATH内容，不加$就把PATH当成字符串输出了

在PATH这个环境变量中存储了可执行程序的路径（用：分隔）

在命令行中也可以定义变量

命令行变量分两种：

1. 普通变量
2. 环境变量

我们在上图中定义的是普通变量，所以env中没有，需要将普通变量导出到环境变量

export aaa			//将aaa导出到环境变量
upset				//取消环境变量

如何让自己的程序不带路径运行？

1. 把我的exe考到usr/bin/中（不建议）（usr/bin/中存储的是系统的指令（可执行程序））

2. 把我的exe所处的路径添加到PATH中

   export PATH = $PATH:路径 //把自己的路径导入PATH
   

which 查命令也是在环境变量中搜索的

常见的环境变量

• PATH : 指定命令的搜索路径
• HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)
• SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash

echo $HISESIZE 保存命令行数

history 查询写过的命令

history |wc -l 统计写过的命令条数（最多保存3000条）

set 查看本地变量和shell变量

环境变量的c/c++的获取方式

main函数可以带参数吗 ？

int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
    return 0;
}    
//int argc			argv数组中的元素个数
//char* argv[]		argv叫做命令行参数，传入的是程序名和选项
//char* env[]		传入环境变量

命令行参数的意义是什么 ？

同一个程序，不同的选项，执行不同的执行逻辑，执行结果

Linux系统中，会根据不同的选项，让不同的命令，可以有不同的表现

获取环境变量的三种方式

1. main函数的第三个参数
2. c语言提供的第三方变量，extern char** envision
3. getenv（"PATH"） //获取特定环境变量

环境变量具有全局属性 ？

命令行中的进程的父进程都是BASH进程

本地变量：本质就是bash进程内部定义的变量，不会被子进程继承下去

环境变量：具有全局性，会被子进程继承下去

在上面，我们说过，命令行中的进程都是BASH进程的子进程，本地变量在BASH内部，不会继承到子进程，就是在子进程中本地变量无效，但是上图中echo作为一个子进程，本地变量却有效为什么？

Linux下大部分命令都是通过子进程的方式执行，

但是，还有一部分命令，不通过子进程的反射光是执行，而是由BASH进程自己执行（调用自己对应的函数来完成特定的功能），我们把这种命令叫做内建命令（比如：echo）

程序地址空间

我们以前了解到的程序地址空间，以操作系统的概念，是进程地址空间

进程地址空间

进程地址空间不是内存 ！

地址空间验证–Linux

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int a=0;
int b;

int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{
  printf("code      address:    %p\n",main);
  printf("initial   address:    %p\n",&a);
  printf("unintial  address:    %p\n",&b);
  
  char*c1 = (char*)malloc(sizeof(char)*6);
  char*c2 = (char*)malloc(sizeof(char)*6);
  char*c3 = (char*)malloc(sizeof(char)*6);
  char*c4 = (char*)malloc(sizeof(char)*6);

  printf("heap     address:   %p\n",c1);
  printf("heap     address:   %p\n",c2);
  printf("heap     address:   %p\n",c3);
  printf("heap     address:   %p\n",c4);

  printf("stack    address:   %p\n",&c1);
  printf("stack    address:   %p\n",&c2);
  printf("stack    address:   %p\n",&c3);
  printf("stack    address:   %p\n",&c4);

  printf("agrv     address:   %p\n",argv[0]);
  printf("env      address:   %p\n",env[0]);
 
  return 0;
}

经过验证，进程地址空间是符合上图的，地址依次增加，堆和栈相向而生，栈向地址减小的方向生长，堆向地址增大的方向生长

感知地址空间的存在

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
    int _val=0;
  	pid_t id=fork();
  	printf("数据修改前\n");
  	if(id==0)
    {
        printf("该进程为子进程，pid:%d，ppid:%d，_val值为%d，_val地址为%p\n",getpid(),getppid(),_val,&_val);
    }
    else
  	{
    	printf("该进程为父进程，pid:%d，ppid:%d，_val值为%d，_val地址为%p\n",getpid(),getppid(),_val,&_val);
  	}
  	printf("数据修改后\n");
  	if(id==0)
  	{
    	_val=2;
    	printf("该进程为子进程，pid:%d，ppid:%d，_val值为%d，_val地址为%p\n",getpid(),getppid(),_val,&_val);
  	}
  	else
  	{
    	printf("该进程为父进程，pid:%d，ppid:%d，_val值为%d，_val地址为%p\n",getpid(),getppid(),_val,&_val);
  	}
    return 0;
}

通过上面的程序，我们可以发现，当父子进程没有人修改全局数据时，父子是共享该数据的，父子进程读取同一个变量（地址一样），但是后序如果修改了这个数据，父子进程访问的地址依旧一样，但是得到内容却不同，这说明，这个地址一定不是物理地址，而是虚拟地址，那进程地址空间并不是物理内存，而是虚拟内存

那么为什么操作系统不让我直接看到物理内存？

因为内存是硬件，不能阻止你访问，为了防止用户对内存上的数据造成破坏。

进程地址空间是什么？

每一个进程都会有一个进程地址空间，在进程启动的时候，都会让操作系统给他创建一个地址空间，该地址空间就是进程的地址空间

因为，操作系统需要管理进程地址空间，那么就需要对进程地址空间进行先描述，在组织

那么，如何对进程地址空间先描述，在组织 ？

进程地址空间就是内核的一个数据结构，struct mm_struct,进程的pcb（task_struct）也是内核的数据结构，在pcb中有一个指针，指向这个mm_struct(进程地址空间)，进程地址空间是虚拟地址，虚拟地址通过页表映射到物理地址，通过物理地址就找到了真正存储在物理内存的位置

为了保证进程的独立性，保证多进程运行期间互不影响

进程的内核数据结构是独立的，进程的代码和数据是独立的

**总结：**磁盘中的程序和数据加载到物理内存中，对进程进行描述化，组织化，构建task_srtruct和mm_struct，操作系统会给每一个进程构建页表结构，页表中虚拟地址和物理地址建立映射关系

什么叫做区域？

在mm_struct中存在多个结构体，进程地址空间中分为多个区域（栈区，堆区，代码区…………），每一块区域就是一个结构体（struct），多个结构体通过链表连接起来

**补充：**程序编译完之后，没有加载到内存，由地址，由区域都在磁盘中划分好了

父子进程独立性

数据结构独立：

创建子进程时，创建子进程的内核数据结构（mm_struct,task_struct）,对子进程的数据结构进行初始化（父进程为模板），创建子进程，OS也会给子进程创建子进程的页表（子进程的页表也是以父进程为模板初始化）

代码和数据独立:

数据独立：

在刚创建出子进程时，子进程的数据结构，页表都是以父进程为模板初始化，所以没有改变数据时，父进程和子进程的数据对应的虚拟地址相同，页表的映射关系相同，父子进程同一个数据映射到同一个物理地址

但是，如果对数据进行改变，就会放生写时拷贝，将父子进程数据分离，子进程的数据就存储在另一个物理地址，这时，父子进程这个数据的物理地址不同，页表的映射关系也要改变

父子进程访问同一个变量，通过相同的虚拟地址，经过父子进程页表的映射，找到不同的物理地址，拿到不同的值

代码独立：

父子进程的代码是共享的，但是如果父进程退出，而子进程不退出，依旧需要代码，代码不会释放，所以保证了代码的独立

改变数据前：

改变数据后：

同一个变量，为什么会有不同的值？

现在，就可以解决这个问题

id是属于父进程进程栈空间中定义的变量，fork内部return会被执行两次，谁先被返回，那这个数据就被修改了，就需要发生写时拷贝，所以，一个变量，会有不同的值，本质是因为大家虚拟地址一样，但是映射后的物理地址不同

为什么要有虚拟地址空间？

1. 保护内存
2. 进程管理，Linux的内存管理通过地址空间进行功能模块的解耦
3. 简化进程本身的设计与实现

补充：页表中堆区的映射关系是在运行时建立的

据时，父进程和子进程的数据对应的虚拟地址相同，页表的映射关系相同，父子进程同一个数据映射到同一个物理地址

但是，如果对数据进行改变，就会放生写时拷贝，将父子进程数据分离，子进程的数据就存储在另一个物理地址，这时，父子进程这个数据的物理地址不同，页表的映射关系也要改变

父子进程访问同一个变量，通过相同的虚拟地址，经过父子进程页表的映射，找到不同的物理地址，拿到不同的值

代码独立：

父子进程的代码是共享的，但是如果父进程退出，而子进程不退出，依旧需要代码，代码不会释放，所以保证了代码的独立

改变数据前：

[外链图片转存中…(img-GWhNWo1r-1662258199214)]

改变数据后：

[外链图片转存中…(img-kpWjBHxX-1662258199214)]

同一个变量，为什么会有不同的值？

现在，就可以解决这个问题

[外链图片转存中…(img-JEabystE-1662258199215)]

id是属于父进程进程栈空间中定义的变量，fork内部return会被执行两次，谁先被返回，那这个数据就被修改了，就需要发生写时拷贝，所以，一个变量，会有不同的值，本质是因为大家虚拟地址一样，但是映射后的物理地址不同

为什么要有虚拟地址空间？

1. 保护内存
2. 进程管理，Linux的内存管理通过地址空间进行功能模块的解耦
3. 简化进程本身的设计与实现

补充：页表中堆区的映射关系是在运行时建立的