【操作系统】操作系统硬件组成和进程

硬件组成体系结构

1.为什么要学操作系统

• 从操作系统-网络-应用程序-存储等多方面诊断和优化。
• 比如：接口突然响应慢、服务器内存、CPU占用率高、Redis、MySQL查询慢，怎末排查问题。

2.性能优化诊断方法论

（1）围绕两个点：

（2）性能优化方法论：

• 选择【指标】评估系统和应用程序现状
• 设置性能优化【目标】
• 进行链路基准【测试】
• 【分析】全链路性能瓶颈
• 【优化】系统和应用程序

• 【验证】优化后的性能指标

3.硬件组成体系结构

（1）什么是计算机

1945年-科学家冯·诺依曼提了一种计算机设计实现架构，奠定现代计算机的理论基础。

五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

• 控制器 Control Unit【CU】：计算机的指挥系统，用来控制计算机其他组件的运行。
• 运算器 Arithmetic/Logic Unit【ALU】：运算功能，用来完成各种二进制编码做算术运算和逻辑运算，包括加减乘、与或非运算，控制器+运算器=CPU。

运算器和控制器联系十分紧密，两大不见多数集成在同一个芯片中，称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、

存储器：计算机数据存储

内存：内存条，临时存储，断电丢失数据

外存：机械硬盘，持久存储，断电不丢失数据

IO设备：可以将数据输入到计算机，或者接收计算机输出的外部设备

输入设备input：计算机接收外界输入数据的工具，比如键盘、鼠标、麦克风、触摸屏。

输出设备output：计算机向外输出数据的工具，比如显示器、音响、打印机。

操作系统和进程

1.什么是操作系统

• 运行在计算机上最重要的一种程序，管理计算机的所有硬件和软件。
• 用户通过系统OS来操作使用计算机硬件，属于中间层。

现代操作系统核心功能

• 进程管理：操作系统为进程分配任务，解决处理器调度、分配和回收等。
• 处理器管理：CPU的管理和分配，比如分配进程CPU调度执行。
• 内存管理：内存的管理和分配，比如给程序分配内存和释放内存。
• 外存管理：持久化存储的管理和分配，比如磁盘文件写入。
• I/O管理：输入/输出设备的管理，比如键盘输入和网络收发
• 2.什么是进程

一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机上的执行过程，也是操作系统分配资源的基本单位。

（1）操作系统中给进程抽象了专门的【数据结构】

• 称为进程控制块，Process Control Block简称 PCB
• 在操作系统代码当中是一个结构体：struct task_struct{…}
• 每一个进程均有一个PCB，在创建进程时建立PCB，伴随进程运行的全过程，真到进程撤销而撤销
• （2）PCB数据结构包含进程的多数信息
• 程序ID（PID、进程句柄）：一个进程都必须对应一个唯一的PID，一般时整型数字。
• 特征信息：一般分系统进程、用户进程、或者内核进程等。
• 进程状态：运行、就绪、阻塞，表示进程现在的运行情况。

• 优先级：表示获得CPU控制权的优先级大小。
• 提供进程管理、调度所需要的信息。

（3）进程状态

• 新建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源，初始化PCB
• 就绪态：具备运行条件，但没有空闲的CPU导致不能运行
• 运行态：占有CPU，并在CPU上运行指令
• 阻塞态：等待某一事件而暂时不能运行
• 退出态：从系统中退出，操作系统回收进程拥有的资源、撤销PCB

（4）进程、线程、他们之间的关系

• 进程：本质上是一个独立执行的程序，进程是操作系统进行资源分配和调度的基本概念，操作系统进行资源分配和资源调度的一个独立单位。

线程：是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位，一个进程中可以并发多少个线程，每条线程执行不同的任务，切换受系统控制。

重点：

进程拥有多个线程的时候，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量资源，这些资源在上下文切换时不需要修改。

同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，所以开发中用多线程代替进程的原因

线程上下文切换的两种情况：

前后两个线程属于不同进程，此时资源不共享，线程上下文切换和进程的上下文切换一样

前后两个线程属于统一个进程。同进程虚拟内存共享，在切换的时候虚拟内存等资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据，寄存器等不共享的数据

（5）进程创建

• 进程一般由OS内核创建，一个进程也可以去创建另一个进程，这个去创建进程称为父进程，被创建进程称为子进程

• 应用场景：

• Nginx的master-worker进程
• worker是处理真正的请求的，而master负责监控worker进程是否正常工作