一.冯·诺依曼体系结构

  

数据在计算机的体系结构中流动进行加工处理，从一台设备到另一台设备，本质是一种拷贝。CPU不直接和外设打交道，CPU只和内存打交道。外设（输入输出设备）的数据，不是直接给CPU，而是要先放入内存中。

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二.操作系统

操作系统是一款进行软硬件资源管理的软件。 

操作系统对下进行软硬件管理工作，对上层提供良好，稳定，高效的运行环境。

整个计算机的体系结构为层状结构，操作系统在其中起承上启下的作用。 

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三.进程 

进程文件首先存在于磁盘中，当被调度时，会被加载进入内存，随后由操作系统先描述，创建进程PCB，再组织所有的进程成为一个链表，随后由CPU对进程链表进行管理。 

进程＝PCB➕自己的代码数据用户要使用操作系统，必须使用系统调用的方式。进程 = 内核task_struct结构体 + 程序的代码和数据。PCB：进程控制块，进程属性的集合。

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1.进程的tesk_struct内部属性

（1）启动

./xxxx，本质就是让系统创建进程并运行。我们自己写的代码形成的可执行程序、可执行的系统命令都是可执行文件，在linux中运行的大部分指令操作，本质都是运行进程。每一个进程都要有自己的唯一标识符，叫做进程pid。ctrl + C就是在用户层面终止进程，kill -9 pid可以直接杀掉进程。

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2.如何查看进程信息 

ps：查看当前系统中对应的进程。axj：a表示all全部，xj表示详细信息。grap XXXX：过滤出只有包含XXXX的信息。grep -v grap:删除grep进程的信息。head -x：显示信息的前x行。ps axj | grap XXXX：查看XXXX进程的详细信息。&&：指令级联符号，能够使多个指令同时进行。while :; do 指令; sleep 1; done：每隔一秒钟执行一次该指令while :; do ps ajx | head -1 && ps ajx | grep XXXX | grep -v grep; sleep 1; done:每隔1秒循环打印出XXXX进程的信息。

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3.进程创建的代码方式

需要头文件：#include<sys/types.h>，#include<unistd.h>：

pid_t getpid(void):获得当前进程的进程id。pid_t getppid(void):获得当前进程的父进程id。pid_t fork(void):从已存在的进程中创建一个新进程，二者互为父子进程。fork函数的返回值有两个，成功创建子进程，则返回0给子进程，同时返回子进程的pid给父进程；创建失败返回 -1。

创建一个进程，本质是系统中多了一个进程，多了一个内核task_struct，有自己的代码和数据。

父进程的代码和数据从磁盘加载而来，子进程如果没有自己的代码和数据，则会默认继承父进程的代码和数据（子进程会继承父进程全部的代码，但是只会执行fork函数之后的所有代码）。

进程具有独立性，父子进程任意一方被杀掉都不会影响另一方。 

bash：命令行解释器，整个系统指令执行的父进程。 

chdir(路径)函数：改变进程的执行路径。

进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看。

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4.进程状态

R(running)状态：进程运行的状态。S(sleeping)状态：进程在等待“资源”就绪，可以被中断的状态。T(stopped)状态：让进程暂停，等待被进一步唤醒。t(tracing stop)状态：被追踪而导致的进程暂停，如调试断点。D(disk sleep)状态：不可被杀，深度睡眠状态，不可中断睡眠。Z(zombie)状态：僵尸状态。X(dead)状态：僵尸进程被释放后的状态。

kill -l指令：显示进程控制信号。

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（1）僵尸进程

子进程比父进程先退出，还未被父进程回收，需要维持自己的退出信息，在自己的进程task_struct会记录自己的退出信息，未来让父进程来进行读取，此时的子进程为僵尸进程。如果没有父进程，僵尸进程会一直存在。

僵尸进程不能被kill掉。

僵尸进程不被关心的原因：直接在命令行中启动的进程，它的父进程是bash，bash会自动回收新进程的Z。

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（2）孤儿进程

父进程比子进程先退出，子进程就会成为孤儿进程。

孤儿进程一般都会被1号进程（OS本身）进行领养的，保证子进程的正常回收。

孤儿进程可以被kill掉。 

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（3）运行状态 

并发：让多个进程在一个CPU内以时间片轮转调度算法等切换的方式进行调度，在一个时间段内得以同时推进代码。 

并行：任何时候都同时有多个进程在多个CPU内在真的同时运行。

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（4）阻塞状态

阻塞状态对应于进程的S状态和D状态。

所谓阻塞，即等待，等待键盘资源是否就绪，键盘上面有没有被用户按下的按键，按键数据交给进程。

当某个进程需要通过外设获取数据时，其本身会从进程的运行调度队列里断开，而连入外设的等待队列中，此时即为阻塞状态，当获取到数据后，则会重新回到进程运行队列。 

阻塞和运行的状态变化，往往伴随着pcb被连入不同的队列中，入队列的不是进程的什么代码和数据，而是进程的task_struct。

不是只有CPU才有运行队列，各种外设也有自己的wait_queue。 

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（5）挂起状态

当内存中有很多进程处于阻塞态时，大量的代码和数据导致内存吃紧，此时有一部分代码和数据将被唤出进磁盘的swap分区，从而减轻内存压力，当进程被唤醒时再将代码和数据重新唤入内存，我们将进程的代码和数据被唤出到磁盘的这种状态称为挂起状态。

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四.寄存器

CPU内部有非常多的各种各样的寄存器，会保存进程的临时数据，CPU内部所有寄存器中的这些临时数据称为进程的上下文。

当一个进程未执行完毕，但是需要临时停止而被切换执行其他进程时，寄存器会临时保存其上下文数据，并记录其当前代码的执行位置，等到该进程被切换回来时，再由寄存器恢复其上下文数据，继续执行该进程。 

寄存器本身是硬件，具有数据的存储能力，CPU的寄存器硬件只有一套。

CPU内部的数据，可以有多套，有几个进程，就有几套和该进程对应的上下文数据。

寄存器 ！= 寄存器的内容

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五.进程优先级

指定进程获取某种资源（CPU）的先后顺序称为优先级。

linux中优先级数字越小，优先级越高。

进程访问的资源（CPU）始终都是是有限的，所以要有优先级。系统中进程大部分情况都是有较多的。

操作系统关于调度和优先级的原则：

分时操作系统，基本的公平，如果进程因为长时间不被调度，就造成了饥饿问题。

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1.优先级特点及查看优先级

ps -al指令：查看所有启动的进程。PRI：默认进程优先级，为固定数值（80）。NI：进程优先级的修正数据，nice值，新的优先级=优先级+nice，达到对于进程优先级动态修改的过程。nice值并不能被任意调整，而是有范围的。[-20,19]--40个数字。

优先级调整：

top指令：进入top指令后按“r”，回车，在输入进程的pid，回车，最后输入nice值。

每次调整优先级，都是从80开始的。

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六.命令行参数和环境变量

1.命令行参数

 int main(int argc,char *argv[])

{}

main函数的参数可带可不带。

参数的意义：

argc表示argv[]数组的元素个数。argv[]表示一个字符串数组，以NULL结尾。

main函数的参数表示命令行中，用户输入的若干个指令（以空格为分界的若干个字符串）。

命令行参数本质是交给我们程序的不同的选项，用来定制不同的程序功能。命令中会携带更多的选项。

父进程的数据，默认能被子进程看到并访问。

命令行中启动的程序，都会变成进程，其实都是bash的子进程。

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 2.环境变量

linux中，存在一些全局的设置，表明，告诉命令行解释器，应该去那些路径下寻找可执行程序。系统中很多配置，在我们登录linux系统的时候，已经被加载到了bash进程中（内存）。bash在执行命令的时候，需要先找到命令，因为未来要加载。PATH：环境变量，是Linux系统下搜索可执行程序的默认路径。$PATH：打印环境变量内容。最开始的环境变量不是在内存中，而是在系统对应的配置文件中。环境变量具有系统级的全局属性，因为会被子进程继承下去。本地变量只在本bash内部有效，无法被子进程继承下去，只有导成环境变量，才能被获取。

bash进程启动的时候，默认会给子进程生成两张表：

用户输入命令行形成的：argv[]命令行参数表；从OS配置文件中得到的：env[]环境变量表。bash会通过各种方式将表交给子进程。 

echo $PATH：查看环境变量所处路径。 

sudo cp/rm XXXX 路径：让XXXX可执行程序成为（去除）某路径下的系统可执行程序。  

PATH=$PATH:路径：将某路径添加成为系统中搜索可执行程序的默认路径。 

系统的配置文件有：.bash_profile；.bashrc；/etc/bashrc。

环境变量会在Linux系统重新启动时重新配置，所以只有在系统的配置文件中添加新的环境变量，才会永久存在。

env：查看系统所有环境变量。echo $XXXX：查看单个环境变量。export：创建新的环境变量。unset：删除环境变量。

代码获取环境变量的方法：

头文件：#include<unistd.h>（前）#include<stdlib.h>（后）

extern char **environ：声明全局的环境变量指针，用来获取环境变量表中的环境变量；通过main函数参数；使用getenv("环境变量")函数，获得指定的环境变量。

linux系统中80%的命令由bash创建的子进程执行，称为普通命令，还有一些命令由bash亲自执行，称为内建命令。 

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七.进程地址空间

进程的代码和数据默认保存在内存中，但是进程不能直接从内存中获取数据，而是需要通过地址空间的虚拟地址，借助页表的映射得到内存的物理地址，进而访问到数据。

地址空间的本质是内核中的一个struct结构体对象，内部很多的属性都是表示start，end的范围。

子进程会把父进程的很多内核数据结构全拷贝一份。

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1.写时拷贝

当一份全局数据被父子进程共用时，如果子进程对该数据进行修改，则会另开一个空间对原数据进行拷贝，再进行修改，子进程指向新地址，父进程指向原地址，但两者表面上仍然共用同一个虚拟地址。

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2.为什么存在地址空间

通过页表映射将内存中无序的数据变成有序，让进程以统一的视角看待物理内存以及自己运行的各个区域。

能够使进程管理空间和内存管理空间结藕。

拦截非法请求，对物理内存进行保护。

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3.理解虚拟地址

虚拟地址也叫逻辑地址，是程序中本身就有的地址。

当程序加载到内存时，地址空间从程序获取数据，页表从程序获取虚拟地址，同时内存给出程序的物理地址，进而由页表组织形成映射关系。

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八.内核进程调度队列

Linux系统中每一个CPU都有一个运行队列：

从图中我们需要认识两个数组：

long bitmap[5]:32*5的160位的位图，用于判断队列某个位置是否存在进程。

task_struct queue[140]:后40位为进程队列，与进程的优先级40位nice一一对应。

其中，蓝色方框和红色方框为完全相同的进程队列结构，蓝色队列进程只出不进，红色队列进程只进不出，分别通过*active和*expired两个指针管理。 

当蓝色队列进程出完或红色队列进程进满时，两者会进行进出功能交换，实际为交换两个指针。

这种进程管理方法称为大O（1）的时间片轮转调度算法。 

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