零、前言

本章主要讲解操作系统的一些基础概念知识，为进程的学习做铺垫

一、冯诺依曼体系结构

概念：

冯诺依曼体系结构规定了硬件上的数据流动，而大部分计算机都遵守冯诺依曼体系，如笔记本，服务器等

示图：

计算机基本硬件组成：

输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等

中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等

输出单元：显示器，打印机等

存储器：物理内存

注：输入单元和输出单元统称外设

工作原理：

执行程序时，输入设备的数据先预加载到存储器中，通过存储器将数据交给cpu进行处理，cpu再将得到的结果预写入写回存储器，最后再由存储器将结果刷新到输出设备上

注意：

不考虑缓存情况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)

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

所有设备都只能直接和内存打交道

示例：登录上qq开始和某位朋友聊天的数据的流动过程

你的电脑：输入设备键盘将数据写到内存，内存再将数据给CPU，CPU得到结果再将数据写入内存，最后内存将数据刷新到网卡

朋友的电脑：输入设备网卡将数据写到内存，内存再将数据给CPU，CPU得到结果再将数据写入内存，最后内存将数据刷新到显示器上

为什么运行程序必须先加载到内存：

这是即是冯诺依曼体系结构规定的，也是由于存储器分级的原因导致的

示图：存储器层次结构

内存比较便宜速度慢，CPU速度快但是贵，为了平衡速度与经济CPU一般不会太大，所以CPU不能直接存储数据

对于外设的输入输出效率会更慢，如果直接和CPU沟通会导致整个程序变得迟缓，所以由内存作为中间者和所有设备进行直接沟通

二、操作系统

概念:

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)

操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）

其他程序（例如函数库， shell程序等等）

设计OS的目的：

与硬件交互，管理所有的软硬件资源

为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

注：OS需要保护系统软硬件，所以它对任何用户都不信任，需要通过OS才能访问系统软硬件

定位：

操作系统也被称作进行软硬件资源管理的软件

如何理解 “管理”：

操作系统作为管理者，主要做事情决策

而操作系统之下的驱动作为执行者，进行执行操作系统的决定

最后的底层硬件则是一个被管理的角色

示图：

怎么进行管理：

描述：先对被管理者进行描述，将其属性数据获取（数据写到struct结构体中）

组织：用链表或其他高效的数据结构进行管理数据（结构体），也就是对数据的操作达到管理的效果

系统调用和库函数概念：

在开发角度，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，但对用户的要求相对也比较高，所以开发者对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，利于更上层用户或者开发者进行二次开发

三、进程

概念：

进程是程序的一个执行实例，从内核的角度上看进程是担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体

即进程=程序+内核的PCB

1、描述进程-PCB

概念：

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；在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct

Linux操作系统下的PCB是: task_struct-PCB的一种，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
//当多个程序需要同时被执行，而一个程序有执行的时间片，达到时间需要切换程序，切换到恢复的过程就需要上下文数据发挥作用，达到无缝切换的效果
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

注：运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里

2、查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

示例：

大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取

示例：

3、获取进程标示符

系统调用函数：

使用getpid()系统调用函数获取当前进程id（PID）

使用getppid()系统调用函数获取当前进程的父进程id（PPID）

注：getpid()和getppid()函数需要包含头文件unistd.h

示例：

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

4、创建进程-fork()

fork()功能：

为当前进程创建子进程，父子进程代码共享，数据各自开辟空间私有一份（采用写时拷贝：进行写入时触发拷贝）

fork()返回值：

对于父进程，如果创建成功返回子进程的pid，否则返回负数

对于子进程返回0（成功创建）

注意：

对子进程返回0,是因为子进程只有一个父进程，可以直接找到对应父进程

对父进程返回子进程pid的意义是可以在父进程里直接得到子进程ID（可能有多个子进程），对某个子进程进行操作和管理

注：fork返回类型是pid_t，需要包含头文件 sys/types.h

• 示例：

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

• 父子进程分流执行:

我们创建子进程的意义是为了与父进程进行不同任务，因为父子进程的代码共享，所以我们采用分支结构进行分流执行程序

• 示例：

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

• 为什么ret有两个返回值：

fork()函数在return的前一刻，其主体任务全部完成，也就是子进程成功创建，此时父子进程代码共享，数据各有一份（写时拷贝），在返回时发生写实拷贝，对于父进程的ret则是返回的子进程的pid，对于子进程的ret则是返回的0