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1. 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了計(jì)算機(jī)制造的三個(gè)基本原則，即采用二進(jìn)制邏輯、程序存儲執(zhí)行以及計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成（運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備），這套理論被稱為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

這里我們來介紹一下組成馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的五個(gè)部分：

輸入設(shè)備：鍵盤、攝像頭、網(wǎng)卡、磁盤等
輸出設(shè)備：顯示器、磁盤、網(wǎng)卡、聲卡音響等
存儲器：內(nèi)存（掉電易失）
運(yùn)算器和控制器：CPU

關(guān)于馮諾依曼，我們必須強(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)：

• 這里的存儲器指的是內(nèi)存
• 不考慮緩存情況，這里的CPU能且只能對內(nèi)存進(jìn)行讀寫，不能訪問外設(shè)(輸入或輸出設(shè)備)
• 外設(shè)(輸入或輸出設(shè)備)要輸入或者輸出數(shù)據(jù)，也只能寫入內(nèi)存或者從內(nèi)存中讀取。

我們知道，我們的數(shù)據(jù)需要先從磁盤加載到內(nèi)存中，然后由CPU讀取并進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果再次加載到內(nèi)存中，最后再由內(nèi)存寫入磁盤，通過輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)交給我們。那么，為什么CPU為什么不能直接訪問外設(shè)呢？

其實(shí)原因也很簡單，輸入輸出設(shè)備稱之為外圍設(shè)備，外設(shè)一般是很慢的，比如說磁盤，相對于內(nèi)存，他的速度是非常慢的，但CPU的計(jì)算速度確是非?？斓摹＞秃帽葟拇疟P的讀取速度很慢，但是CPU的計(jì)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(shè)為主。

所以在這里得出了兩個(gè)結(jié)論：

• 在數(shù)據(jù)層面上，一般CPU不和外設(shè)直接溝通，而是直接和內(nèi)存打交道。
• 在數(shù)據(jù)層面上，外設(shè)指揮和內(nèi)存打交道。

所以說，程序的運(yùn)行必須加載到內(nèi)存中，因?yàn)镃PU想要執(zhí)行我們的程序，訪問我們的數(shù)據(jù)，就必須從內(nèi)存中讀取，這是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)規(guī)定的。

💕 那么，在硬件層面，單機(jī)和跨主機(jī)之間的數(shù)據(jù)流是如何流向的呢？

對馮諾依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到對軟件數(shù)據(jù)流理解上，那么，當(dāng)你從登錄上qq開始和某位朋友聊天開始，整個(gè)信息是如何在體系結(jié)構(gòu)中流動的？

當(dāng)我和我的朋友同時(shí)打開QQ時(shí)，我們的QQ其實(shí)已經(jīng)被加載到內(nèi)存中了，然后當(dāng)我們在對話框中輸入消息時(shí)，我們的數(shù)據(jù)已經(jīng)被輸入到內(nèi)存中了，下面我們的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中被加密計(jì)算，計(jì)算完之后將數(shù)據(jù)返回到內(nèi)存，然后顯示到輸出設(shè)備，也就是我們的顯示器和網(wǎng)卡上，這時(shí)我們就可以在顯示器上看到我們所發(fā)送的消息了。

緊接著，我們的數(shù)據(jù)還會通過網(wǎng)卡輸入到對方的電腦上，對方通過網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)后，加載到內(nèi)存中，然后通過CPU將數(shù)據(jù)進(jìn)行解密操作并寫回內(nèi)存，最后通過輸出設(shè)備顯示到對方的顯示器上。

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2. 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一款進(jìn)行軟硬件資源管理的軟件，在這里我們先來解釋一下，為什么操作系統(tǒng)要對軟硬件進(jìn)行管理呢？

其實(shí)是因?yàn)?#xff0c;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。

那么我們應(yīng)該如何理解操作系統(tǒng)對硬件做管理呢？其實(shí)，管理的本質(zhì)就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，管理的方法是：先描述、后組織。

💖 管理的本質(zhì)是對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理

對于這一點(diǎn)，我們應(yīng)該如何理解呢？我們可以以學(xué)校為例：假設(shè)學(xué)校只有校長、輔導(dǎo)員和學(xué)生。那么在這里，校長就是我們的管理者，同時(shí)也是做決策的人，而輔導(dǎo)員呢就是執(zhí)行者，最后輔導(dǎo)員把決策交給我們學(xué)生，學(xué)生才是真正的被管理者。
因?yàn)楣芾淼谋举|(zhì)就是數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，但在這里我們需要考慮的是，管理者是如何拿到被管理者的數(shù)據(jù)的呢？就好比說，校長是如何拿到我們學(xué)生的數(shù)據(jù)的呢？其實(shí)也很簡單，通過輔導(dǎo)員拿到的了。而校長只要管理好我們學(xué)生的這些數(shù)據(jù)，就能將學(xué)生管理起來了，所以管理的本質(zhì)就是對數(shù)據(jù)做管理。

💕 管理的方法是先描述、后組織

這里我們可以想一下，學(xué)校的學(xué)生那么多，校長是如何管理的呢？這里我們提出了一種方法，叫做 ‘先描述、后組織’，先描述，就好比先將將被管理者的數(shù)據(jù)抽象成一個(gè)結(jié)構(gòu)體（類），后組織，就是使用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)管理起來，這里我們可以先將學(xué)生的各種信息定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，然后，將學(xué)生們通過鏈表鏈接起來，那么現(xiàn)在對學(xué)生數(shù)據(jù)做管理就變成了，對鏈表的管理。

當(dāng)然了，對應(yīng)到我們的計(jì)算機(jī)中，操作系統(tǒng)就相當(dāng)于我們的管理者，而硬件驅(qū)動就相當(dāng)于我們的執(zhí)行者，而硬件(軟件)就是我們被管理者。

當(dāng)然了，我們的操作系統(tǒng)也是不相信任何人的，為了保護(hù)操作系統(tǒng)不受到任何的侵害，但是又必須又必須給上層用戶提供服務(wù)，在用戶和操作系統(tǒng)之間有一層系統(tǒng)調(diào)用接口，但由于系統(tǒng)調(diào)用接口的使用成本很高，所以相關(guān)人員就在系統(tǒng)調(diào)用上面進(jìn)行了二次軟件開發(fā)，例如：圖形化界面、shell和工具集等。

系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)：

• 在開發(fā)角度，操作系統(tǒng)對外會表現(xiàn)為一個(gè)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(diào)用。
• 系統(tǒng)調(diào)用在使用上，功能比較基礎(chǔ)，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(diào)用進(jìn)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(jìn)行二次開發(fā)。

計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)圖

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3. 進(jìn)程

進(jìn)程的基本概念

進(jìn)程 在課本中的描述一般為：程序的一個(gè)執(zhí)行實(shí)例，正在執(zhí)行的程序，或者是一個(gè)程序運(yùn)行起來（程序被加載到內(nèi)存）就是進(jìn)程，進(jìn)程的內(nèi)核觀點(diǎn)是擔(dān)當(dāng)分配系統(tǒng)資源（CPU時(shí)間，內(nèi)存）的實(shí)體。但是這些概念都很膚淺，我們應(yīng)該如何去描述一個(gè)進(jìn)程呢？

💕 描述進(jìn)程

• 進(jìn)程信息被放在一個(gè)叫做進(jìn)程控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，可以理解為進(jìn)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

當(dāng)我們把多個(gè)程序加載到內(nèi)存中時(shí)，操作系統(tǒng)會對這些程序進(jìn)行先描述，后組織。那么操作系統(tǒng)是如何對我們的程序進(jìn)行描述和組織的呢？

我們將寫好的代碼編譯鏈接形成可執(zhí)行程序存放在磁盤上，然后我們運(yùn)行這個(gè)程序時(shí)，需要先將這個(gè)程序加載到內(nèi)存中，然后通過CPU進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)我們的程序加載到內(nèi)存中時(shí)，操作系統(tǒng)會對我們的程序進(jìn)行管理，對程序的管理方法我們在上面也提及到了：先描述，在組織。

操作系統(tǒng)在對我們的進(jìn)程進(jìn)行先描述，后組織的時(shí)候，會先將我們的程序的共有屬性創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體，然后對我們的每一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如鏈表）將我們的結(jié)構(gòu)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(jìn)程的管理就會轉(zhuǎn)換成對特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的管理。當(dāng)然了，這個(gè)描述和組織進(jìn)程的東西就被稱為進(jìn)程控制塊（PCB）。

所以，在這里我們也引出了進(jìn)程真正的概念：進(jìn)程=內(nèi)核關(guān)于進(jìn)程的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+當(dāng)前進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)。

進(jìn)程控制塊（PCB） 是我們操作系統(tǒng)用來描述進(jìn)程的工具，他包含了進(jìn)程屬性的集合。在Linux中描述進(jìn)程的結(jié)構(gòu)體叫做task_struct。他是Linux內(nèi)核的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它會被裝載到RAM(內(nèi)存)里并且包含著進(jìn)程的信息。

下面我們看一下task_ struct內(nèi)容分類：

• 標(biāo)示符: 描述本進(jìn)程的唯一標(biāo)示符，用來區(qū)別其他進(jìn)程。
• 狀態(tài): 任務(wù)狀態(tài)，退出代碼，退出信號等。
• 優(yōu)先級: 相對于其他進(jìn)程的優(yōu)先級。
• 程序計(jì)數(shù)器: 程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址。
• 內(nèi)存指針: 包括程序代碼和進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進(jìn)程共享的內(nèi)存塊的指針
• 上下文數(shù)據(jù): 進(jìn)程執(zhí)行時(shí)處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)[休學(xué)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(jìn)程的I／ O設(shè)備和被進(jìn)程使用的文件列表。
• 記賬信息: 可能包括處理器時(shí)間總和，使用的時(shí)鐘數(shù)總和，時(shí)間限制，記賬號等。
• 其他信息

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查看進(jìn)程和殺死進(jìn)程

💕 查看進(jìn)程

再查看進(jìn)程之前我們需要先創(chuàng)建寫一段普通的C語言代碼：

查看進(jìn)程有兩種方式，這里我們先來講解第一種：

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep '進(jìn)程名' 

當(dāng)然了我們需要先將我們的程序運(yùn)行起來：

這里我們還可以看到在我們的myproc進(jìn)程的下面還有一個(gè)grep進(jìn)程，這是因?yàn)間rep指令也是一個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程在調(diào)度的時(shí)候是具有動態(tài)屬性的。這里我們還需要解釋一個(gè)概念那就是PID和PPID的概念，操作系統(tǒng)里指進(jìn)程識別號，也就是進(jìn)程標(biāo)識符。操作系統(tǒng)里每打開一個(gè)程序都會創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程ID，即PID。 當(dāng)然了，PPID就是父進(jìn)程的進(jìn)程ID號。

查看進(jìn)程的第二種方式：通過查看進(jìn)程目錄 ls /proc 來查看進(jìn)程

當(dāng)然了我們還可以直接到==/proc/進(jìn)程pid==目錄下去查看進(jìn)程對應(yīng)的可執(zhí)行程序。

💕 殺死進(jìn)程

我們要結(jié)束我們的進(jìn)程可以有兩種方法：直接按ctrl+c結(jié)束進(jìn)程或者殺死進(jìn)程。殺死進(jìn)程需要的命令是：kill -9 進(jìn)程標(biāo)識符

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父進(jìn)程和子進(jìn)程

上面我們已經(jīng)介紹了父進(jìn)程和子進(jìn)程有各自的進(jìn)程ID，但是究竟什么是父進(jìn)程呢？什么又是子進(jìn)程呢？其實(shí)，我們平常所寫的進(jìn)程都是由bash這個(gè)父進(jìn)程來創(chuàng)建的，bash其實(shí)就是shell外殼，shell為了防止自身奔潰，一幫會通過派生子進(jìn)程的方式去執(zhí)行我們的指令。

我們可以通過getpid和getppid函數(shù)來獲取當(dāng)前進(jìn)程的ID和當(dāng)前進(jìn)程父進(jìn)程的ID。下面我們來看一下這兩個(gè)函數(shù)：

這里我們修改一下我們的程序，看一下父進(jìn)程和子進(jìn)程的ID：

如果我們把我們的程序終止掉，然后再次運(yùn)行的時(shí)候，就會發(fā)現(xiàn)子進(jìn)程的ID一直在變，而父進(jìn)程的ID卻不變。那么我們現(xiàn)在來看一下這個(gè)父進(jìn)程究竟是什么？

這是我們就可以恍然大悟了，原來該父進(jìn)程就是bash，bash通過創(chuàng)建子進(jìn)程的方式來運(yùn)行我們的程序，那么shell是如何創(chuàng)建子進(jìn)程的呢？下面就讓我們來認(rèn)識一下如何創(chuàng)建子進(jìn)程。

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通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建子進(jìn)程

我們先通過 man fork 來認(rèn)識一下fork函數(shù)：

fork函數(shù)的返回值是fork函數(shù)的重點(diǎn)，如果子進(jìn)程創(chuàng)建成功，fork函數(shù)給父進(jìn)程返回子進(jìn)程的id，給子進(jìn)程返回0，如果子進(jìn)程創(chuàng)建失敗將會給父進(jìn)程返回-1。

這里我們先修改一下我們的代碼：

但是這個(gè)代碼為什么可以既執(zhí)行if里面的語句，又可以執(zhí)行if else里面的代碼呢？

結(jié)論：

• fork之后，執(zhí)行流會變成2個(gè)執(zhí)行流。
• fork之后，誰先運(yùn)行由調(diào)度器決定。
• fork之后的代碼共享，通常通過if和elseif來進(jìn)行執(zhí)行流分流。

下面我們再來看一個(gè)更離譜的事情，我們將代碼中的內(nèi)容做出如下修改：

以上問題我們都可以歸結(jié)為三點(diǎn)：

• fork做了什么？
• fork是如何看待代碼和數(shù)據(jù)的？
• fork如何理解兩個(gè)返回值問題？

💕 fork做了什么？

子進(jìn)程會創(chuàng)建一份獨(dú)立的pcb結(jié)構(gòu)，但子進(jìn)程的pcb的大部分屬性都是以父進(jìn)程為模板進(jìn)行拷貝的，當(dāng)然了對于PID和PPID這些值是不能拷貝的。

💕 fork是如何看待代碼和數(shù)據(jù)的？

進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候，是具有獨(dú)立性的，當(dāng)然父子進(jìn)程再運(yùn)行的時(shí)候也是具有獨(dú)立性的，如果我們父子進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行但我們把其中任意一個(gè)進(jìn)程殺死后，并不會影響另一個(gè)進(jìn)程。當(dāng)然如果父子進(jìn)程中有相同的變量，但我們修改父進(jìn)程或子進(jìn)程中的任意一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)會在當(dāng)前進(jìn)程中觸發(fā)寫時(shí)拷貝。

💕 fork是如何理解兩個(gè)返回值問題的？

當(dāng)我們的函數(shù)執(zhí)行return功能之前其實(shí)函數(shù)中的主體部分就已經(jīng)完成了，但是return也是一條語句，在這之前子進(jìn)程已經(jīng)被創(chuàng)建，甚至可能已經(jīng)被調(diào)度，我們在執(zhí)行return時(shí)，父進(jìn)程可以被調(diào)度執(zhí)行一次，而子進(jìn)程也有它的執(zhí)行流，所以return也會被調(diào)度執(zhí)行一次。所以一條return就被執(zhí)行了兩次，好像讓我們看到了兩個(gè)返回值。

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