1、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；

截至目前，我們所認識的計算機，都是有一個個的硬件組件組成：

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

關于馮諾依曼強調幾點：

• 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(shù)據(jù)，也只能寫入內(nèi)存或者從內(nèi)存中讀取；
• 一句話，所有設備都只能直接和內(nèi)存打交道；

2、操作系統(tǒng)(Operator System)

2.1、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(nèi)核（進程管理，內(nèi)存管理，文件管理，驅動管理）
• 其他程序（例如函數(shù)庫，shell程序等等）

2.2、設計OS的目的

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

2.3、定位

• 在整個計算機軟硬件架構中，操作系統(tǒng)的定位是：一款純正的“搞管理”的軟件

2.4、如何理解 “ 管理 ”

• 描述被管理對象
• 組織被管理對象

2.5、總結

計算機管理硬件：

1. 描述起來，用struct結構體
2. 組織起來，用鏈表或其他高效的數(shù)據(jù)結構

3、系統(tǒng)調用和庫函數(shù)概念

• 在開發(fā)角度，操作系統(tǒng)對外會表現(xiàn)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)；

4、進程

4.1、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(nèi)核觀點：擔當分配系統(tǒng)資源（CPU時間，內(nèi)存）的實體；

4.2、描述進程-PCB

• 進程信息被放在一個叫做進程控制塊的數(shù)據(jù)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(nèi)核的一種數(shù)據(jù)結構，它會被裝載到RAM(內(nèi)存)里并且包含著進程的信息；

task_ struct內(nèi)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(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: 包括程序代碼和進程相關數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進程共享的內(nèi)存塊的指針；
• 上下文數(shù)據(jù): 進程執(zhí)行時處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)；
• 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(shù)總和，時間限制，記賬號等；
• 其他信息

?

4.3、組織進程

可以在內(nèi)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(nèi)核里；

4.4、查看進程

進程的信息可以通過 /proc 系統(tǒng)文件夾 查看

• 如：要獲取PID為1的進程信息，你需要查看 /proc/1 這個文件夾；

• ??大多數(shù)進程信息同樣可以使用 top 和 ps 這些用戶級工具來獲取；

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

?4.5、通過系統(tǒng)調用獲取進程標示符

• 進程id（PID）
• 父進程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;
}

4.6、通過系統(tǒng)調用創(chuàng)建進程-fork初識

• 運行 man fork 認識fork
• fork有兩個返回值
• 父子進程代碼共享，數(shù)據(jù)各自開辟空間，私有一份（采用寫時拷貝）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int ret = fork();printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);sleep(1);return 0;
}

• fork 之后通常要用 if 進行分流

#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){ //childprintf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}else{ //fatherprintf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}sleep(1);return 0;
}

5、進程狀態(tài)

5.1、Linux內(nèi)核源代碼的定義

• 為了弄明白正在運行的進程是什么意思，我們需要知道進程的不同狀態(tài)。一個進程可以有幾個狀態(tài)（在 Linux內(nèi)核里，進程有時候也叫做任務）；
• 下面的狀態(tài)在kernel源代碼里定義：

/*
* 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)；

?

?

5.2、進程狀態(tài)查看

ps aux / ps axj 命令

5.3、Z(zombie)-僵尸進程

• 僵死狀態(tài)（Zombies）是一個比較特殊的狀態(tài)。當進程退出并且父進程沒有讀取到子進程退出的返回代碼時就會產(chǎn)生僵死(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；
• 所以，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)；

來一個創(chuàng)建維持30秒的僵死進程例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id > 0){ //parentprintf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());sleep(30);}else{printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}

ptrace系統(tǒng)調用追蹤進程運行

5.4、僵尸進程危害

• 進程的退出狀態(tài)必須被維持下去，因為他要告訴關心它的進程（父進程），你交給我的任務，我辦的怎么樣了?？筛高M程如果一直不讀取，那子進程就一直處于Z狀態(tài)；
• 維護退出狀態(tài)本身就是要用數(shù)據(jù)維護，也屬于進程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，換句話說，Z狀態(tài)一直不退出，PCB一直都要維護；
• 那一個父進程創(chuàng)建了很多子進程，就是不回收，就會造成內(nèi)存資源的浪費！因為數(shù)據(jù)結構對象本身就要占用內(nèi)存，想想C中定義一個結構體變量（對象），是要在內(nèi)存的某個位置進行開辟空間；
• 內(nèi)存泄漏

6、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；

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

7、進程優(yōu)先級

7.1、基本概念

• cpu資源分配的先后順序，就是指進程的優(yōu)先權（priority）；
• 優(yōu)先權高的進程有優(yōu)先執(zhí)行權利。配置進程優(yōu)先權對多任務環(huán)境的linux很有用，可以改善系統(tǒng)性能；
• 還可以把進程運行到指定的CPU上，這樣一來，把不重要的進程安排到某個CPU，可以大大改善系統(tǒng)整體性能；

7.2、查看系統(tǒng)進程

在linux或者unix系統(tǒng)中，用ps –l命令則會類似輸出以下幾個內(nèi)容：

?容易注意到其中的幾個重要信息，有下：

• UID : 代表執(zhí)行者的身份
• PID : 代表這個進程的代號
• PPID ：代表這個進程是由哪個進程發(fā)展衍生而來的，亦即父進程的代號
• PRI ：代表這個進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級，其值越小越早被執(zhí)行
• NI ：代表這個進程的nice值

7.3、PRI and NI

• PRI也還是比較好理解的，即進程的優(yōu)先級，或者通俗點說就是程序被CPU執(zhí)行的先后順序，此值越小，進程的優(yōu)先級別越高；
• NI就是所要說的nice值了，其表示進程可被執(zhí)行的優(yōu)先級的修正數(shù)值；
• PRI值越小越快被執(zhí)行，那么加入nice值后，將會使得PRI變?yōu)?#xff1a;PRI(new)=PRI(old)+nice；
• 這樣，當nice值為負值的時候，那么該程序將會優(yōu)先級值將變小，即其優(yōu)先級會變高，則其越快被執(zhí)行；
• 所以，調整進程優(yōu)先級，在Linux下，就是調整進程nice值；
• nice其取值范圍是-20至19，一共40個級別；

7.4、PRI vs NI

• 需要強調一點的是，進程的nice值不是進程的優(yōu)先級，他們不是一個概念，但是進程nice值會影響到進程的優(yōu)先級變化；
• 可以理解nice值是進程優(yōu)先級的修正修正數(shù)據(jù)；

7.5、查看進程優(yōu)先級的命令

用top命令更改已存在進程的nice：

• top；
• 進入top后按“r”–>輸入進程PID–>輸入nice值；

8、其他概念

• 競爭性: 系統(tǒng)進程數(shù)目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個，所以進程之間是具有競爭屬性的。為了高效完成任務，更合理競爭相關資源，便具有了優(yōu)先級；
• 獨立性: 多進程運行，需要獨享各種資源，多進程運行期間互不干擾；
• 并行: 多個進程在多個CPU下分別，同時進行運行，這稱之為并行；
• 并發(fā): 多個進程在一個CPU下采用進程切換的方式，在一段時間之內(nèi)，讓多個進程都得以推進，稱之為并發(fā)

?

9、環(huán)境變量

9.1、基本概念

• 環(huán)境變量(environment variables)一般是指在操作系統(tǒng)中用來指定操作系統(tǒng)運行環(huán)境的一些參數(shù)
• 如：我們在編寫C/C++代碼的時候，在鏈接的時候，從來不知道我們的所鏈接的動態(tài)靜態(tài)庫在哪里，但是照樣可以鏈接成功，生成可執(zhí)行程序，原因就是有相關環(huán)境變量幫助編譯器進行查找；
• 環(huán)境變量通常具有某些特殊用途，還有在系統(tǒng)當中通常具有全局特性；

9.2、常見環(huán)境變量

• PATH : 指定命令的搜索路徑
• HOME : 指定用戶的主工作目錄(即用戶登陸到Linux系統(tǒng)中時,默認的目錄)
• SHELL : 當前Shell,它的值通常是/bin/bash；

9.3、測試PATH

?1.?創(chuàng)建hello.c文件；

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

?2.?對比./hello執(zhí)行和之間hello執(zhí)行；

?3.?為什么有些指令可以直接執(zhí)行，不需要帶路徑，而我們的二進制程序需要帶路徑才能執(zhí)行；

?4.?將我們的程序所在路徑加入環(huán)境變量PATH當中, export PATH=$PATH:hello程序所在路徑

?5.?對比測試

9.4、測試HOME

?1.?用root和普通用戶，分別執(zhí)行 echo $HOME ，對比差異 . 執(zhí)行 cd ~; pwd ,對應 ~ 和 HOME 的關系

9.5、和環(huán)境變量相關的命令

1. echo: 顯示某個環(huán)境變量值
2. export: 設置一個新的環(huán)境變量
3. env: 顯示所有環(huán)境變量
4. unset: 清除環(huán)境變量
5. set: 顯示本地定義的shell變量和環(huán)境變量

9.6、環(huán)境變量的組織方式

每個程序都會收到一張環(huán)境表，環(huán)境表是一個字符指針數(shù)組，每個指針指向一個以’\0’結尾的環(huán)境字符串

9.7、通過代碼如何獲取環(huán)境變量

• 命令行第三個參數(shù)

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{int i = 0;for(; env[i]; i++){printf("%s\n", env[i]);}return 0;
}

• 通過第三方變量environ獲取

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{extern char **environ;int i = 0;for(; environ[i]; i++){printf("%s\n", environ[i]);}return 0;
}

libc中定義的全局變量environ指向環(huán)境變量表,environ沒有包含在任何頭文件中,所以在使用時要用extern聲明；

9.8、通過系統(tǒng)調用獲取或設置環(huán)境變量

• putenv
• getenv

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{printf("%s\n", getenv("PATH"));return 0;
}

常用getenv和putenv函數(shù)來訪問特定的環(huán)境變量

9.9、環(huán)境變量通常是具有全局屬性的

• 環(huán)境變量通常具有全局屬性，可以被子進程繼承下去

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{char * env = getenv("MYENV");if(env){printf("%s\n", env);}return 0;
}

直接查看，發(fā)現(xiàn)沒有結果，說明該環(huán)境變量根本不存在

• 導出環(huán)境變量?export MYENV="hello world"
• 再次運行程序，發(fā)現(xiàn)結果有了！說明：環(huán)境變量是可以被子進程繼承下去的

實驗

• 如果只進行 MYENV＝“helloworld” ,不調用export導出，在用我們的程序查看，會有什么結果；
• 普通變量；

10、程序地址空間

10.1、研究背景

• kernel 2.6.32
• 32位平臺

10.2、程序地址空間回顧

來段代碼感受一下

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 0;}else if(id == 0){ //childprintf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{ //parentprintf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}

輸出

//與環(huán)境相關，觀察現(xiàn)象即可
parent[2996]: 0 : 0x80497a9
child[2997]: 0 : 0x80497a9

我們發(fā)現(xiàn)，輸出出來的變量值和地址是一模一樣的，很好理解，因為子進程按照父進程為模版，父子并沒有對變量進行進行任何修改；可是將代碼稍加改動:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 0;}else if(id == 0){ //child,子進程肯定先跑完，也就是子進程先修改，完成之后，父進程再讀取g_val=100;printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}else{ //parentsleep(3);printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);}sleep(1);return 0;
}

輸出結果：

//與環(huán)境相關，觀察現(xiàn)象即可
child[3056]: 100 : 0x80347f4
parent[3055]: 0 : 0x80347f4

我們發(fā)現(xiàn)，父子進程，輸出地址是一致的，但是變量內(nèi)容不一樣！能得出如下結論：

• 變量內(nèi)容不一樣,所以父子進程輸出的變量絕對不是同一個變量；
• 但地址值是一樣的，說明，該地址絕對不是物理地址；
• 在Linux地址下，這種地址叫做 虛擬地址
• 在用C/C++語言所看到的地址，全部都是虛擬地址！物理地址，用戶一概看不到，由OS統(tǒng)一管理OS必須負責將 虛擬地址 轉化成 物理地址；

10.3、進程地址空間

所以之前說"程序的地址空間"是不準確的，準確的應該說成 "進程地址空間"，那該如何理解？看圖：

說明：

• 上面的圖就足矣說明問題，同一個變量，地址相同，其實是虛擬地址相同，內(nèi)容不同其實是被映射到了不同的物理地址；

?

?

11、Linux2.6內(nèi)核進程調度隊列

上圖是Linux2.6內(nèi)核中進程隊列的數(shù)據(jù)結構

一個CPU擁有一個runqueue

• 如果有多個CPU就要考慮進程個數(shù)的負載均衡問題

優(yōu)先級

• 普通優(yōu)先級：100～139（我們都是普通的優(yōu)先級，想想nice值的取值范圍，可與之對應！）
• 實時優(yōu)先級：0～99（不關心）

活動隊列

• 時間片還沒有結束的所有進程都按照優(yōu)先級放在該隊列
• nr_active: 總共有多少個運行狀態(tài)的進程
• queue[140]: 一個元素就是一個進程隊列，相同優(yōu)先級的進程按照FIFO規(guī)則進行排隊調度,所以，數(shù)組下標就是優(yōu)先級；
• 從該結構中，選擇一個最合適的進程，過程是怎么的？

1. 從0下表開始遍歷queue[140]；
2. 找到第一個非空隊列，該隊列必定為優(yōu)先級最高的隊列；
3. 拿到選中隊列的第一個進程，開始運行，調度完成；
4. 遍歷queue[140]時間復雜度是常數(shù)！但還是太低效了；

• bitmap[5]:一共140個優(yōu)先級，一共140個進程隊列，為了提高查找非空隊列的效率，就可以用5*32個 比特位表示隊列是否為空，這樣，便可以大大提高查找效率；

過期隊列

• 過期隊列和活動隊列結構一模一樣；
• 過期隊列上放置的進程，都是時間片耗盡的進程；
• 當活動隊列上的進程都被處理完畢之后，對過期隊列的進程進行時間片重新計算；

active指針和expired指針

• active指針永遠指向活動隊列；
• expired指針永遠指向過期隊列；
• 可是活動隊列上的進程會越來越少，過期隊列上的進程會越來越多，因為進程時間片到期時一直都存在的；
• 沒關系，在合適的時候，只要能夠交換active指針和expired指針的內(nèi)容，就相當于有具有了一批新的活動進程；

總結

• 在系統(tǒng)當中查找一個最合適調度的進程的時間復雜度是一個常數(shù)，不隨著進程增多而導致時間成本增加，我們稱之為進程調度O(1)算法！

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