Linux进程解析(冯诺依曼体系结构,操作系统,进程初步解析)

简介: Linux进程解析(冯诺依曼体系结构,操作系统,进程初步解析)

冯诺依曼体系结构:

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

截至目前,我们所认识的计算机,都是有一个个的硬件组件组成:

       中央处理器(CPU):含有运算器和控制器等;

       输入单元:包括键盘, 鼠标,扫描仪, 写板、话筒、摄像头、磁盘、网卡等;
       输出单元:显示器,打印机、声卡、显卡、网卡、磁盘等;

以上的设备有的只做输入,或者只做输出,有的即做输入又做输出。

关于冯诺依曼,必须强调几点:
       1.这里的存储器指的是内存,特点是:断电后在内存的数据会丢失(掉电易失)!
       2.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)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。
一句话,所有设备都只能直接和内存打交道。

效率越高,造价贵单体容量越小距离CPU越近的存储单元,

距离CPU越远的存储单元,效率越低,造价便宜,单体容量大

各个设备之间是用总线连接在主板上的,目的:数据在设备之间流动(本质是设备之间会进行数据的来回拷贝,拷贝的整体速度,是决定计算机效率的重要指标!)

为什么在体系结构中要存在内存?

答:以一个文本文件为例:CPU的速度是非常快的,而键盘的输入和显示是我们写的速度决定的, 这样就导致CPU在效率上就过度的浪费,所以引入内存,可以理解为一个非常大的缓存,介于设备和CPU之间,这样计算机效率就变成了内存效率问题,并且由于内存的引入,让我们在计算机效率不错还比较便宜的情况下,让老百姓使用。

对冯诺依曼的理解,不能停留在概念上,要深入到对软件数据流理解上,请解释,从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始,数据的流动过程。从你打开窗口,开始给他发消息,到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢?

       答:我们在键盘进行输入,然后将数据交给内存,由内存将数据给CPU处理打包,然后返回给内存,内存再将打包好的数据交给网卡,另一个人的网卡接受到数据,交给内存,内存再给CPU处理解包,然后输出到显示器上。

 

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)。

笼统的理解,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:

1.与硬件交互,管理所有的软硬件资源
2.为用户程序(应用程序)提供一个良好的执行环境

当我们将电脑开机,第一个被加载的软件是操作系统,

操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件。

以操作系统、驱动程序、底层硬件讲解:

每一个硬件都有对应的驱动!!!

以校园生活为背景:

       校长(管理者)、辅导员(保证管理决策的落地)、学生(被管理者)

首先我们应该知道管理者与被管理者,并不需要见面,管理的本质不在于对人做管理,而在于对人的信息(数据)做管理,管理者核心工作是做决策,根据数据做决策。

先描述,再组织:

       以面向对象语言为例:

       从历史的角度:

       我们要对一个事物进行管理,首先要知道他们的属性:如:名字,学号,年龄……信息,有了这些信息我们将他们写成一个结构体,这就是先描述!!!

       我们再用不同的STL容器(string、list、map……)将数据统一管理就是再组织!!

       最后按不同的需求来对数据的增删改查!

       预测未来:

如果你要做一件事情第一步:先描述(struct/class);

         做一件事情的第二步:再组织——>容器(数据结构)

         最后把你对数据的管理场景转化成为对特点数据结构的增删改查!

以上将具体问题,进行计算机级别的建模过程!转成计算机能够认识的问题!

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,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。

1.为什么要有操作系统?

需要去管理软硬件;

2.为什么要有操作系统的管理?

对下:管理好软硬件资源——手段

对上:提供一个良好(稳定、高效、安全)的环境——目的

比如:一个用户去银行存钱,是自己拿到金库中,取钱也是自己去金库拿,这样必然会出现问题!!!

所以在操作系统中,需要一个把用户和操作系统进行分隔的区间,所以就有了系统接口,它是由操作系统提供的系统调用函数。

比如:用户在一个程序中用了printf这个函数,它会调用已经封装好系统调用的用户操作接口lib库,所有的操作都不能越级访问,必须按级调用

比如一个printf可以实现在windows和Linux上使用,调用设计者提供的lib库来实现对系统调用接口向下实现

进程:

描述进程-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

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。(pid)
       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

事实
       1.我们可以同时启动多个程序--- 我们一定要将多个.exe加载到内存

       2.操作系统要不要管理多个加载到内存的程序呢??要的

       2.操作系统如何管理加载到内存的程序呢? 先描述,在组织!!!

进程=内核PCB对象(内核数据结构)+可执行程序

所有对进程的控制和操作,都只和进程的PCB有关,与进程的可执行程序无关!!!

如:需要启动多个程序,也是PCB去排队来等待调度!!!

因此,对进程的管理,转化为对PCB对象的管理,就可以通过对数据结构的增删改查来实现对进程的管理!!!

扩展:

程序计数器(pc指针 / eip寄存器):指向将被执行的下一条指令的地址。

       当程序运行到判断,循环,函数跳转这些语法时本质都是修改pc指针/eip寄存器,pc指针/eip寄存器指向哪一个进程的代码,就表示哪一个进程是下一个要被调度运行!!!

在Linux关于进程的相关操作:

查看进程信息:

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看。

写一个死循环程序来,查看进程的执行:

ps ajx | head -1 && ps -ajx | grep myprocess(编译结束后的文件名)

查看进程里的信息: ls /proc/进程pid

更改cwd(当前工作目录):更改为/home/LFH路径

我们创建一个文件会去找到对应的cwd,然后在这个路径下创建对应的文件。

通过更改cwd,此时我们成功将110.txt创建到/home/LFH这个路径下。

通过系统调用获取进程标示符(pid):

1.getpid()和getppid()

2.查看进程pid和父进程pid:

特别注意:

      1.每次执行这个编译好的程序,操作系统分配的pid会不相同,运行结束就进程就会销毁,再次运行又会重新分配!!!

       2.而每次运行的父进程相同都是bach(即:上面的14047),每个进程都有它的父进程,而bash就是process的父进程,也是shell外壳的一种!

3.fork()函数

      用fork()函数创建子进程,如果创建成功父进程的返回值是子进程的pid,子进程的返回值为0;如果创建失败父进程返回值为-1.

4.创建子进程

运行后发现父进程和子进程都在执行!!!

总结:

用fork()函数创建子进程后:

       1.父子进程会共用代码块;

       2.在父子进程进行代码共享时,父进程会把PCB中的部分数据给子进程,但是比如pid就不会给,所以当创建子进程后,子进程也会执行后面的代码;

       3.因为代码共享,所以对应如果需要改变代码中的数据,各个进程会创建属于自己的数据区,用于存放自己改变的数据(写时拷贝)。

       4.创建子进程的目的:因为有些事情我们的父进程不想做,还有其他的事要做,所以创建一个子进程,然后通过if -else语句让它们去执行它们各个需要去做的事情!!!

5.进程之间具有相互独立性

任意一个进程之间具有相对独立性,相互之间没有影响!!!

      即使父进程和子进程亲如父子,但是当我们的子进程和父进程都运行起来之后,子进程挂了,代码也仍会存在,对父进程无影响,父进程挂了,代码也仍会存在,对子进程无影响!!!

因为程序被加载到内存,运行起来后,进程里存放的是程序的拷贝数据。

以上就是个人学习的见解和学习过程的解析,欢迎各位大佬在评论区探讨,交流!

如果本篇对你有帮助的话,三连支持一下吧。

感谢大佬们的三连! 感谢大佬们的三连! 感谢大佬们的三连!

                                             

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