Linux—进程学习—1

1.冯诺依曼体系结构

冯·诺依曼提出了电子计算机系统制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及电子计算机系统由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，其中运算器与控制器又共同组成为中央处理器CPU），这套理论被称为冯·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，必须注意几点

存储器指的是内存！，一定要注意！

磁盘和硬盘既可以是输入设备也可以是输出设备

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。

总结一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

**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。比如：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？

那发文件呢？

其实也是一样的，只不过输入设备不在是键盘，而是磁盘，因为文件是存储在本地的磁盘中的，将文件从磁盘传输到内存，经过cpu处理之后，传输给网卡和显示器等输出设备，网卡通过网络将文件数据传输到另外一个用户的输入设备—网卡上，然后再加载到内存中，经过cpu的处理之后，传输给输出设备显示器。[此时用户一般可以选择下载到本地，即将文件从内存中传输到输出设备—磁盘上]

2.操作系统

2.1操作系统的概念

操作系统的概念：

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）

操作系统的本质就是一个对软硬件资源进行管理的软件

2.2操作系统的目的

其目的就是：

• 通过对软硬件资源的合理的管理(手段)，给用户创造一个良好的(稳定的，高效的，安全的)运行环境(目的)

2.3如何理解管理

操作系统是管理者，那谁是被管理者——其实是软硬件资源，下面是一个图，方便理解。

对于操作系统是如何对软硬件进行管理的理解图，有一个例子可以方便理解：

就像校长就是学生的管理者，校长不需要去接触每个具体的学生，但是仍然能够对学生进行管理，就是通过拿到学生的所有具体的数据，以数据的变化为依据，进行对学生进行管理的重大决策。

经过上图的理解，可以总结出——管理的本质就是对数据继续管理

那管理者是如何不断的拿到被管理者的数据，并根据数据的变化来下达相应的决策，对被管理者进行管理的呢？

这中间就还需要引出一个执行者的概念。

如果是在学校里，执行者可以是辅导员，可以是班长等其他位置，这里就当做辅导员。

如果是在操作系统中，若被管理者是硬件，那么执行者就是驱动

管理者(OS/校长)具体来说是如何管理被管理者的呢？

所有的管理本质的逻辑都是——先描述、再组织【也就是面向对象思维】

将被管理者的数据描述成一个类，然后再将类的对象用数据结构组织起来【将一个个类的对象用某个数据结构存储起来】，通过这个数据结构的一些算法【比如找到增删查改】来对数据进行管理

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

2.4计算机软硬件体系的理解

此时有一个问题：**操作系统是不相信用户的，它不会将自己底层的进程管理、文件管理等、以及底层管理的数据开放给用户进行访问。**不然用户如果操作错误，就会导致操作系统崩溃。但是操作系统又需要给用户提供各种服务。不然用户怎么知道自己的硬件是什么情况呢？自己的文件什么情况等。

因此操作系统给用户提供了许许多多的接口来给用户使用。比如用户想往磁盘中存储一些数据，用户是不能自己往磁盘输入数据的，只能将这个申请提交给操作系统的接口，经过操作系统的判断之后，才会往磁盘输入数据。

就像我们不能直接拿钱去将钱存到银行的仓库中，只能交由银行的人员来完成这个操作一样

上面提到的这个操作系统的接口一般叫做系统调用

如果是Linux系统的系统调用，其实就是调用c式的接口、因为Linux系统是由C写的，也就是说系统调用其实就是OS提供的一个C语音编写的函数的调用

但是如果让用户直接去使用系统调用的话，也是不太好的，因为这要求用户对操作系统有一定的了解，不然是无法使用的、因此就会有一些上层的软件，比如指令操作(shell)和编程操作(c/c++)、来帮我们使用系统调用

下面是举例：

在shell中，我们输入ls或者touch等指令，其实都是通过调用shell的接口，这个接口和系统调用会有关系，因此最终还是在调用系统接口来完成对硬件的访问。比如ls就是将这个文件的内容全部输入，那不就需要读取磁盘内的空间并输出到显示器吗，touch指令也需要在磁盘中创建一个空间用于存放新建文件。这需要向磁盘空间输入数据，最终也是系统调用完成的工作、

在写c/c++代码的时候，printf和cout是调用库函数，库函数内部会有系统调用。最终仍然是通过系统调用实现的向显示器（硬件）输出

对于上面描述的计算机软硬件体系可以用一个图片来总结：

这里最底层的硬件需要了解冯诺依曼体系结构、

驱动程序是执行者，它执行操作系统的管理决策，并将硬件的数据变动交给操作系统，便于操作系统管理、

操作系统会将驱动程序先描述成一个类，并用如链表的数据结构将其组织起来、方便做出一个个对外界提供服务的系统接口、也就是系统调用

而在我们写代码或者输入指令的时候，涉及对硬件的访问，都是通过库函数来帮助我们使用系统调用，进而访问硬件、

2.5系统调用和库函数的概念

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。

3.进程

3.1进程是什么

进程——一个被加载到内存的程序

内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。

3.2管理进程

首先程序是一个文件，因此，程序想要被运行，根据冯诺依曼体系结构，存储程序的文件必须要被加载到内存中。然后再被cpu计算，运行程序。但是很多时候，被加载到内存上的程序非常多、

这个时候被加载到内存上的程序非常多，此时就会有很多问题，先运行那个程序？程序的在内存的位置如何分配？那些程序执行过？那些程序没有执行过？有些执行完的程序要销毁释放，有些程序需要多执行几次等等问题。

因此操作系统为了更好的管理这些被加载到内存的大量程序文件，就将加载到内存的程序称作进程，然后管理这些进程。如何管理呢？

前面说了，管理的逻辑就是先描述、再组织。

因此操作系统对进程的管理自然也需要先描述、再组织

3.2.1描述进程-PCB

要相对进程进行管理，需要先将进程描述起来。如何描述呢？

在描述的时候，需要将进程其描述成一个类或者结构体。这个类和结构体中存放着进程的所有属性。

操作系统会用PCB来描述进程

• 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。

• 进程控制块称之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是: task_struct

其实在Linux下的进程控制块(PCB)就是一个结构体，这个结构体放着进程的所有属性【比如进程的id，进程的优先级，进程的状态，进程的地址、以及各自属性等等】

要注意：这里所说的进程的属性，都是操作系统自己添加的，原本被加载到内存的可执行代码文件是没有这些进程属性的，它只有自己写的代码和数据逻辑

因此每一个可执行程序被加载到内存的时候，操作系统都会将其作为进程并将该进程的所有属性放到PCB中。

将进程描述成PCB之后，就要将PCB组织起来，方便管理

3.2.2组织进程

当内存中有多个进程的时候，就会存在多个进程控制块(PCB)，操作系统就会将其用数据结构联系起来，将多个进程控制块用链表之类的数据结构联系起来。这样就实现了组织

这样组织起来了之后，如果cpu需要找到优先级最高的进程来执行，就只需要遍历进程控制块(PCB)的链表，找到优先级最高的进程，并执行就可以了。

如果进程执行完毕需要删除释放，只需要遍历PCB的链表，找到状态为死亡的进程，然后将其代码从内存释放出去，然后删除对应的PCB即可。

3.2.3总结

操作系统对进程管理，不是对进程本身进行管理，而是对进程控制块（PCB）进行管理、

如果是用链表将PCB组织起来，那么对进程管理就转化成了对链表的增删查

内核数据结构 用数据结构将内核结构体(task_struct)组织起来 -> 内核结构体 struct task_struct -> 内核对象 task_struct的对象->将该结构和你的代码和数据关联起来 ->先描述，在组织的工作
进程 = 内核数据结构(task_struct) + 进程对应的磁盘代码

linux内核的部分PCB(task_struct)的源代码：

这个结构体有300多行。比我在linux写的代码都多了

3.3查看进程

• 大多数进程信息可以使用top和ps这些用户级工具来获取

下面是个例子，当ProCessOn代码正在执行的时候，可以输入ps ajx | grep 'ProCessOn'来抓取这个进程是否存在

如果想让抓取的进程的信息带上标题可以输入ps ajx | head -1 && ps ajx | grep "ProCessOn"

• 进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看

输入ls /proc

如果要获取PID为1的进程信息，需要查看 /proc/1 这个文件夹。

注意：

通过/proc来查看进程，这是一个内存级别的目录，可以显示当前正在运行的所有进程的pid，如果一个新的进程被创建，pid号是24641，那么在/proc目录也会出现一个24641的目录，可以进行查看，里面会有该进程的属性信息、

4.与进程有关的系统调用

• getpid()

这个是c语言自带的接口，可以实现系统调用，拿到当前进程的pid

pid_t其实就是一个整形类型，按照整形使用即可

这里我写了个死循环程序

执行结果如下：

在另外一个窗口抓取进程

如果想要杀死进程，就输入kill -9 进程pid即可

• getppid()

这个的作用就是获取父进程的pid

当我们运行多几次程序我们就会发现，进程本身是会变的，因为每次被加载到内存，操作系统都会为该进程重新分配pid。

但是父进程是不会变得，我们抓取一下这个父进程pid就知道了

可以看到父进程本身是bash，也就是shell本身

如果将该进程kill掉，那么就会直接退出这个命令行解释器。

• 在命令行上运行的所有程序，其都是子进程，父进程一般情况下都是bash

这样有个好处，子进程有问题不会影响到父进程，父进程可以安全的运行下去

现在又有了一个新的问题，子进程是如何创建出来的，又是如何运行起来的呢？

等到学习进程控制就会明白了。