馮諾依曼體系結構

• 大多數的計算機、服務器等都遵循馮諾依曼體系結構

• 存儲器用於快慢設備之間的緩衝作用，提高系統的效率（內存可以預先裝載數據）

  • 處理數據時，必須先將數據預裝載到內存中（一次性裝載多條數據，由操作系統完成）
• 在硬件和數據層面上：CPU只和內存進行交流，外設也只與內存進行交流。
• 寄存器不僅只存在於CPU中，其他的外設中也存在。
• 各硬件之間是用總線進行鏈接（IO總線、系統總線）
  

操作系統概念

• 操作系統實質上是一款專門搞管理的軟件。
• 操作系統包括內核（進程管理、文件管理、驅動管理）和其他程序（庫函數、shell程序等）

進程控制塊PCB

• PCB：為了便於系統描述和管理進程的運行，內核為每個進程專門創建的一個結構體對象。（一個PCB對應一個進程）
• PCB是進程實體的一部分，用於存儲進程所需的所有信息。
• CPU在執行進程時，是找的PCB，再通過PCB去調用程序代碼和數據。
• Linux中PCB的結構體是 struct task_struct{ }
• 系統中PCB是採用雙鏈表的形式鏈接起來的。

• PCB主要存儲的信息：

  • 標示符：描述此進程的唯一標示符，用於區分其他進程（PID等）
  • 狀態：休眠狀態S、運行狀態R
  • 如果進程是前台運行時，則會標識為 R+
  • 如果進程是後台運行時，則會標識為 R
  • 優先級
  • 程序計數器（PC指針）：保存程序中即將被執行的下一條指令的地址。
  • 內存指針：程序代碼和進程相關的數據指針，和其他進程共享的內存塊指針

  • 上下文數據：進程執行時處理器的寄存器中的數據。

    • 例如：當前進程被打斷，去執行另一個進程，當另一個進程執行完後要如何回到之前進程被打斷的位置呢？上下文數據就是用來保存這類數據。
    • 上下文數據是保存在PCB中的。
  • IO狀態信息

查看存儲進程信息的文件

• 進程信息可以通過 /proc 系統文件夾查看（文件夾的名稱就是該進程的PID）
  

進程狀態

進程的5種狀態

• 就緒態R ：等待被運行。（等待CPU調度）
• 運行態R ：正在運行。（佔用CPU）（運行態包含就緒態，所以運行態可以同時有多個）
• ）殭屍態Z ：父進程還在運行，子進程結束還未被回收時，子進程相關信息任然被保存着。

• 等待態（休眠態）（淺度睡眠 & 深度睡眠）：等待一定條件進入就緒態，等待態下即使給它CPU也無法運行。

  • 淺度睡眠S：等待時可以被喚醒（即使沒有等到某個條件，收到信號也可以被喚醒）
  • 深度睡眠D：等待時已經不能被喚醒了，只有等到某個條件才能自動喚醒（收到信號也不能被喚醒），並且該進程不能被殺死，即使是操作系統也不行。
• 停止態T ：進程只是被暫時停止了，還是可以恢復的（不是進程結束了）
• 死亡態X ：進程死亡，這個狀態只是一個返回狀態，任務列表中是看不到這個狀態的。

殭屍進程

• 子進程先於父進程結束。子進程已經結束了，但是父進程還未幫子進程收屍（即父進程沒有讀取到子進程退出時返回的代碼），這一個子進程就被稱為殭屍進程。

• 回收殭屍子進程方法一：

  • 父進程可以通過使用wait或waitpid來顯示回收子進程，並且獲取子進程退出的狀態。

• 回收殭屍子進程方法二：

  • 父進程自己結束時，會自動回收子進程的資源。

  孤兒進程

• 父進程先於子進程結束，此時子進程就變成了孤兒進程。
• Linux系統規定：所有的孤兒進程都自動成為一個特殊進程（進程1，也就是init進程）的子進程。

進程優先級

優先級的計算

• Linux中可以使用 ps -la 顯示系統進程PID和優先級

• Linux中實際優先級 = PRI + NI （在執行這個算法時，PRI一直都是最初始的優先級）

  • PRI 代表這個進程的優先級，值越小越先執行。
  • NI 代表這個進程的 nice 值（它是優先級的修正值，取值範圍 -20 ~ 19，默認為0）
  • 所以調整進程優先級是調整 nice 值。

優先級的更改

• 終端中使用命令 sudo top 進入更改狀態
• 進入top後按 r 進入輸入狀態
• 輸入進程PID 然後回車
• 再輸入新的 nice 值即可

進程相關性質

• 競爭性：CPU資源很少，而進程較多，所以進程之間是具有競爭性的，為了高效完成任務，合理分配資源，於是有了優先級。
• 獨立性：多進程運行是相互獨立的，獨享各種資源，進程之間互不干擾。
• 並行：多個進程在多個CPU下同時運行。
• 併發：多個進程在同一個CPU下采用進程切換的方式，讓多進程在宏觀上實現同時運行。

環境變量

• 環境變量實質就是一個系統級別的全局變量。
• PATH：指定命令的默認搜索路徑
• 將路徑導入PATH環境變量： echo PATH=$PATH： 路徑
• HOME：指定用户的主工作目錄（即用户登錄到Linux時進入的默認目錄）

環境變量相關命令

• echo $環境變量 （查詢相關環境變量）（echo $? 返回最近一次程序執行後的返回值）
• env （顯示所有環境變量）
• unset （刪除環境變量）
• set （顯示本地定義的 shell 變量和環境變量）（本地變量只在本進程中有效）
• export （導入新的全局的環境變量）

main函數帶的參數（argv、argv、envp）

• argc：命令行參數個數
• argv：命令行參數列表
• envp：環境變量
  

進程地址空間

• 注意：進程地址空間不是實際的物理內存，而是映射出的虛擬地址（不同進程的虛擬地址是相同的，但是實際映射的物理內存是不同的地址）
• 每個進程都有自己的進程地址空間和對應的頁表（用於表示映射關係）
• 進程地址空間實質是物理內存中的一種內核數據結構（mm_struct）
  

使用進程地址空間的優勢

• 避免了野指針的出現（野指針在頁表中沒有映射）
• 避免系統級別的越界訪問，頁表只會映射當前進程的物理內存，不會映射到其他地址。
• 統一進程的排布，即所有進程在進程地址空間中排布方式都是相同的，並且空間範圍也是相同的。
• 每個進程都相當於獨立出來的，更好的實現進程獨立及合理使用內存空間。