【Linux】冯诺依曼体系结构、操作系统及进程概念

一、冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

总体来讲：计算机可以分为==输入设备、输出设备、存储器、运算器&&控制器==

输入设备：键盘、磁盘、网卡、鼠标、摄像头等

输出设备：显示器、磁盘、网卡、各种打印机等

存储器：内存（掉电易失）

运算器&&控制器：CPU

我们知道，CPU的速度是最快的，里面配有寄存器也是最快的，内存是较快的，而外设是较慢的：

CPU只能被动接收别人的指令，别人的数据，所以CPU要去识别别人的指令（制造时内置自己的指令集）才能执行别人的指令

内存存在的意义在于：👇

如果没有内存，CPU只能从外设获取数据进行处理，但是，上面我们说到了，外设的速度是相对较慢的，此时的CPU效率取决于外设，会导致处理效率较慢。

而内存的存在，解决了这个问题，可以先把数据存放在内存中，在加载到CPU进行处理，这大大提高的数据的处理。

所以CPU读取数据必须从内存中拿！！！

而我们所说到的IO（输入输出既input和output）就是从内存的角度上看，把数据从输入设备存入内存的过程叫做input，把内存中的数据输出到输出设备的过程叫做output,这就是IO的过程。

对于冯诺依曼体系，我们应该注意：

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)

CPU不和外设直接打交道，和内存直接打交道。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。

简单来说，就是所有设备都只能直接和内存打交道，提高整机效率

==所以程序的运行必须要加载到内存，CPU执行的代码访问数据，只能从内存中读取(这也是体系结构规定的)==。

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二、操作系统（OS）

• 是什么

操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件，操作系统内有进程管理，文件系统，内存管理，驱动管理

• 为什么

操作系统对下通过合理的管理软硬件资源，对上为用户提供稳定的、高效的、安全的、的执行环境

• 怎么办

管理的本质是对数据做管理，操作系统并不是直接对计算机中的各种硬件进行决策管理，而是通过数据进行分析，最终做出决策，再由驱动执行，从而达到管理的效果

• 计算机的体系结构图

所有的管理，本质是对数据做管理，管理的方法是先描述在组织

计算机管理硬件

1. 描述起来，用struct结构体
2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

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三、系统调用和库函数

在开发角度上看，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。

系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发

这对应着用计算机体系结构图中的户操作接口和system call，我们或者说用户不是直接和操作系统进行操作交流的，需要通过调用各种接口间接地进行交流

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四、进程

4.1概念

课本概念📝：一个运行起来（加载到内存）的程序叫进程，在内存中的程序叫进程

内核观点📝：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体

4.2描述进程-PCB

• PCB

进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。课本上称之为PCB（process control block）， Linux操作系统下的PCB是: task_struct

• 程序和进程

程序的本质是放在磁盘上的可执行文件（.exe文件），就是一个文件，根据冯诺依曼体系，软件运行要加载到内存中，而进程则是将程序加载到内存当中，并且由操作系统进行管理，生成一个描述自身性质的数据结构（PCB），由内核数据结构和进程对应的磁盘代码两者共同组成“进程”

• task_struct

task_struct-PCB的一种，在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct。task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程的信息 。

• 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

4.3查看进程

说了这么多进程，我们总得见一见进程是啥样的把：

首先，创建文件（myproc.c和Makefile）：

文件内容：

make一下，生成可执行程序，开始执行：

接下来就是查看进程了：

同时，我们可以杀掉（kill）进程,当然ctrl+c也可以直接结束掉：

进程在运行的时候本质是在读取进程内部的代码，内部在执行，从启动到终止中间可能会有一段很长的时间，这个进程就具备了动态属性。

==也就是说，进程在调度运行的时候，进程就具有动态属性==

以上就是我们对于进程简单的查看。

4.4与系统相关的系统调用

需要用到getpid()

获取进程PID需要两个头文件，调用响相应函数，最后的返回值就是进程的PID

下面我们对myproc.c进行修改：

执行：

此外，我们还可以了解一下另一种查看进程的方式简单学习一下。

在Linux中proc是内存级目录

数字开头就是进程的pid，一个进程也可以当做文件来看待

如果我们结束进程，自然就找不到了：

我们重新执行，进入：

4.5系统调用获取进程标示符

进程id（PID）
父进程id（PPID）

命令行上启动的进程，一般它的父进程没有特殊情况的话，都是bash

4.5fork初识（并发引入）

• fork的第一个阶段使用

创建子进程

• fork的另一阶段使用

我们需要看fork的返回值：

（所以对于结果我们很好理解，返回成功时，会给父进程返回子进程的pid,子进程会返回0）。但是，这里居然一个变量id居然会有两个返回值，这里在以前是想都不敢想的，后面我们在展开这个问题。我们根据这个返回结果写代码：

多进程：

我们可以看到，两个while循环都执行起来了，这也证明了实际上参与while循环的有两个进程！并且它们是父子进程，即父子关系。

==这也说明了，在fork之后，又创建了一个进程，两个进程分别在两个执行流中，因此可以分别执行if 和 else if，也可以分别进入while循环！==

总结一句话，fork()之后，会有父进程+子进程两个进程在执行后续代码，fork()后续的代码，被父子进程共享，通过返回值不同，让父子进程执行共享代码的一部分，这就是并发式编程。

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五、总结

简单回顾一下，我们主要说了冯诺依曼体系及其其中涉及的问题，了解CPU不和外设直接打交道，和内存直接打交道，提高整机效率。对于操作系统我们从是什么、为什么、怎么办的角度进行说明。然后就是系统调用和库函数，最后我们引入了进程的相关知识概念，以及通过打印显示id，这里只是对进程引入，并没有过于深入了解。后续继续更新说明