1、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。

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。
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。
关于冯诺依曼，必须强调几点：

1. 这里的存储器指的是内存，存储器分为内存和外存。内存是电脑的记忆部件，用于存放电脑运行中的原始数据、中间结果以及指示电脑工作的程序，它的存取速度比较快，但是容量相对较小。外存就像笔记本一样，用来存放一些需要长期保存的程序或数据，断电后也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢。外存储器包括硬盘、光盘和U盘等。
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)。
3. 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。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道（正是因为内存的存在，cpu的快速性才得到保障，不然cpu访问外设会很慢，影响效率）。

问题：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。

答：当你登录QQ并开始与某位朋友聊天时，数据的流动过程如下：你输入账号和密码，这些信息被转化为二进制数据，通过键盘输入到计算机中。计算机将这些数据存储在内存中，并传输到QQ应用程序的处理器。QQ应用程序通过网络接口将这些数据发送到QQ服务器进行验证。一旦验证通过，你将看到你的朋友列表，你可以选择一位朋友开始聊天。当你输入一条消息并发送时，这条消息将以二进制数据的形式被存储在内存中，并通过网络接口发送到QQ服务器。QQ服务器将这条消息转发给你的朋友，他的计算机接收到这条消息后，将其存储在内存中，并通过QQ应用程序呈现给他。他可以看到你发送的消息，并可以回复你。他的回复同样会以二进制数据的形式被存储在内存中，并通过网络接口发送到QQ服务器，然后再转发给你。

在这个过程中，数据在冯诺依曼体系结构的计算机中流动，经历了输入、存储、处理和输出等步骤。这也体现了冯诺依曼体系结构的核心思想：将程序和数据存储在同一个存储器中，计算机可以按照程序指令的顺序执行操作，处理数据并输出结果。

2、操作系统(Operator System)

2.1、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：

1. 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
2. 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

2.2、设计OS的目的

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

2.3、定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件。

2.4、如何理解 “管理”

在操作系统里面，会有各种数据，可是，操作系统不会相信任何用户，并不会直接给用户数据；操作系统为了保证自己数据安全，也为了保证给用户能够提供服务，操作系统以接口（是操作系统提供的用C实现的，自己内部的函数调用---系统调用（所有访问操作系统的行为，都只能通过系统调用完成。））的方式给用户提供调用的入口。来获取操作系统内部的数据。计算机各部分结构图如下：

2.5、总结

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

管理的中心思想是：先描述，再组织。在生活中：1.管理者和被管理者是不需要见面的2.管理者在不见被管理者的情况下，如何做好的管理呢? 只要能够得到管理信息，就可以在未来进行管理决策 ---- 管理的本质: 是通过对_数据 的管理，达到对人的管理3. 管理者和被管理者面都不见，我们怎么拿到对应的数据呢? 通过执行者。在操作系统中，管理任何对象，最终都可以转化成为对某种数据结构的增删查改。

3、系统调用和库函数概念

1. 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。
2. 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。

4、进程

4.1、基本概念

课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等 。
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

一个已经加载到内存中的程序，叫做进程正在运行的程序，叫做进程

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

进程 = 内核PCB数据结构对象（描述你这个进程的所有的属性值）+ 你自己的代码和数据。一个操作系统不仅仅只能运行一个进程，可以同时运行多个进程。

4.2.1、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。

4.2.2、task_ struct内容分类

1. 标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
2. 状态: 任务状态，退出代码，退出信号等。
3. 优先级: 相对于其他进程的优先级。
4. 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址。
5. 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
6. 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]。
7. 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。
8. 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、组织进程

可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。在操作系统中，对进程进行管理，变成了对单链表进行增删改查!

4.4、查看进程

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看
如：要获取PID为1的进程信息，你需要查看 /proc/1 这个文件夹。

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。创建一个文件test30.c写入如下程序。

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

4.5、通过系统调用获取进程标示符

1. 进程id（PID）
2. 父进程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;
}

4.5.1、通过系统调用创建进程-fork初识

运行 man fork 认识fork
fork有两个返回值
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）

#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 进行分流

#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)
	{ //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;
}

5、进程状态

5.1、进程状态查看

ps aux / ps axj 命令

5.2、看看Linux内核源代码怎么说

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。下面的状态在kernel源代码里定义：

/*
* 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运行状态（running）: 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。
S睡眠状态（sleeping): 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠
（interruptible sleep））。也称阻塞状态或浅度睡眠。
D磁盘休眠状态（Disk sleep）：有时候也叫不可中断睡眠状态或深度睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的进程通常会等待IO的结束。
T停止状态（stopped）： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。
X死亡状态（dead）：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。
Z(zombie)-僵尸进程：僵死状态（Zombies）是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程（使用wait()系统调用,后面讲）没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵死(尸)进程。僵死进程会以终止状态保持在进程表中，并且会一直在等待父进程读取退出状态代码。所以，只要子进程退出，父进程还在运行，但父进程没有读取子进程状态，子进程进入Z状态。进程一般退出的时候，如果父进程没有主动回收子进程信息，子进程会一直让自己出于Z状态，进程的相关资源尤其是task_struct结构体不能被释放!因此如果僵尸进程多了，会导致系统产生严重的内存泄漏。

5.3僵尸进程危害

1. 进程的退出状态必须被维持下去，因为他要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态？是的！
2. 维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，Z状态一直不退出，PCB一直都要维护？是的！
3. 那一个父进程创建了很多子进程，就是不回收，是不是就会造成内存资源的浪费？是的！因为数据结构对象本身就要占用内存，想想C中定义一个结构体变量（对象），是要在内存的某个位置进行开辟空间！
4. 内存泄漏?是的！

6、进程状态总结

至此，值得关注的进程状态全部讲解完成，下面来认识另一种进程：孤儿进程。

1. 父进程如果提前退出，那么子进程后退出，进入Z之后，那该如何处理呢？
2. 父进程先退出，子进程就称之为“孤儿进程”
3. 孤儿进程被1号init进程（操作系统）领养，当然要有init进程回收喽。为什么要被领养，因为孤儿进程将来也会退出，也要被释放。

#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){//child
		printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
		sleep(10);
	}else{//parent
		printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
		sleep(3);
		exit(0);
	}
	return 0;
}

6.1、进程优先级

6.1.2、基本概念

1. cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。
2. 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。
3. 还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能。

6.1.3、查看系统进程

在linux或者unix系统中，用ps –l命令则会类似输出以下几个内容：

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

UID : 代表执行者的身份
PID : 代表这个进程的代号
PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
PRI：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
NI ：代表这个进程的nice值

6.1.4、PRI and NI

1. PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。
2. 那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值。
3. PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行
4. 所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

6.1.5、PRI vs NI

1. 需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
2. 可以理解nice值是进程优先级的修正数据。

7、查看进程优先级的命令

7.1、用top命令更改已存在进程的nice：

top：进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值。

7.2、其他概念

1. 竞争性: 系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级。
2. 独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰。
3. 并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。
4. 并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发。