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
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截至目前,我们所认识的计算机,都是由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
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关于冯诺依曼,必须强调几点:
● 这里的存储器指的是内存
● 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。
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qq开始到和某位朋友聊天开始,数据的流动过程。
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2.操作系统(Operator System)
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:
● 与硬件交互,管理所有的软硬件资源
● 为用户程序(应用程序)提供一个良好的执行环境
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
如何理解"管理":
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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
3.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。
系统调用,其实就是OS设计的C语言函数!
4.进程概念
概念:程序的一个执行实例,正在执行的程序等
内核观点:担当分配系统资源的实体
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4.1描述进程-PCB
进程信息被放在一个叫做程序控制块的数据结构中,可以理解为进程属性的集合
Linux操作系统下的PCB是 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。
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
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。
Linux下的task_struct如下:
//Linux中task_struct用来控制管理进程,结构如下:
struct task_struct
{
//说明了该进程是否可以执行,还是可中断等信息
volatile long state;
//Flage 是进程号,在调用fork()时给出
unsigned long flags;
//进程上是否有待处理的信号
int sigpending;
//进程地址空间,区分内核进程与普通进程在内存存放的位置不同
mm_segment_t addr_limit; //0-0xBFFFFFFF for user-thead
//0-0xFFFFFFFF for kernel-thread
//调度标志,表示该进程是否需要重新调度,若非0,则当从内核态返回到用户态,会发生调度
volatile long need_resched;
//锁深度
int lock_depth;
//进程的基本时间片
long nice;
//进程的调度策略,有三种,实时进程:SCHED_FIFO,SCHED_RR, 分时进程:SCHED_OTHER
unsigned long policy;
//进程内存管理信息
struct mm_struct *mm;
int processor;
//若进程不在任何CPU上运行, cpus_runnable 的值是0,否则是1 这个值在运行队列被锁时更新
unsigned long cpus_runnable, cpus_allowed;
//指向运行队列的指针
struct list_head run_list;
//进程的睡眠时间
unsigned long sleep_time;
//用于将系统中所有的进程连成一个双向循环链表, 其根是init_task
struct task_struct *next_task, *prev_task;
struct mm_struct *active_mm;
struct list_head local_pages; //指向本地页面
unsigned int allocation_order, nr_local_pages;
struct linux_binfmt *binfmt; //进程所运行的可执行文件的格式
int exit_code, exit_signal;
int pdeath_signal; //父进程终止是向子进程发送的信号
unsigned long personality;
//Linux可以运行由其他UNIX操作系统生成的符合iBCS2标准的程序
int did_exec:1;
pid_t pid; //进程标识符,用来代表一个进程
pid_t pgrp; //进程组标识,表示进程所属的进程组
pid_t tty_old_pgrp; //进程控制终端所在的组标识
pid_t session; //进程的会话标识
pid_t tgid;
int leader; //表示进程是否为会话主管
struct task_struct *p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_osptr;
struct list_head thread_group; //线程链表
struct task_struct *pidhash_next; //用于将进程链入HASH表
struct task_struct **pidhash_pprev;
wait_queue_head_t wait_chldexit; //供wait4()使用
struct completion *vfork_done; //供vfork() 使用
unsigned long rt_priority; //实时优先级,用它计算实时进程调度时的weight值
//it_real_value,it_real_incr用于REAL定时器,单位为jiffies, 系统根据it_real_value
//设置定时器的第一个终止时间. 在定时器到期时,向进程发送SIGALRM信号,同时根据
//it_real_incr重置终止时间,it_prof_value,it_prof_incr用于Profile定时器,单位为jiffies。
//当进程运行时,不管在何种状态下,每个tick都使it_prof_value值减一,当减到0时,向进程发送
//信号SIGPROF,并根据it_prof_incr重置时间.
//it_virt_value,it_virt_value用于Virtual定时器,单位为jiffies。当进程运行时,不管在何种
//状态下,每个tick都使it_virt_value值减一当减到0时,向进程发送信号SIGVTALRM,根据
//it_virt_incr重置初值。
unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value;
unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_value;
struct timer_list real_timer; //指向实时定时器的指针
struct tms times; //记录进程消耗的时间
unsigned long start_time; //进程创建的时间
//记录进程在每个CPU上所消耗的用户态时间和核心态时间
long per_cpu_utime[NR_CPUS], per_cpu_stime[NR_CPUS];
//内存缺页和交换信息:
//min_flt, maj_flt累计进程的次缺页数(Copy on Write页和匿名页)和主缺页数(从映射文件或交换
//设备读入的页面数); nswap记录进程累计换出的页面数,即写到交换设备上的页面数。
//cmin_flt, cmaj_flt, cnswap记录本进程为祖先的所有子孙进程的累计次缺页数,主缺页数和换出页面数。
//在父进程回收终止的子进程时,父进程会将子进程的这些信息累计到自己结构的这些域中
unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap;
int swappable:1; //表示进程的虚拟地址空间是否允许换出
//进程认证信息
//uid,gid为运行该进程的用户的用户标识符和组标识符,通常是进程创建者的uid,gid
//euid,egid为有效uid,gid
//fsuid,fsgid为文件系统uid,gid,这两个ID号通常与有效uid,gid相等,在检查对于文件
//系统的访问权限时使用他们。
//suid,sgid为备份uid,gid
uid_t uid,euid,suid,fsuid;
gid_t gid,egid,sgid,fsgid;
int ngroups; //记录进程在多少个用户组中
gid_t groups[NGROUPS]; //记录进程所在的组
//进程的权能,分别是有效位集合,继承位集合,允许位集合
kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted;
int keep_capabilities:1;
struct user_struct *user;
struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS]; //与进程相关的资源限制信息
unsigned short used_math; //是否使用FPU
char comm[16]; //进程正在运行的可执行文件名
//文件系统信息
int link_count, total_link_count;
//NULL if no tty 进程所在的控制终端,如果不需要控制终端,则该指针为空
struct tty_struct *tty;
unsigned int locks;
//进程间通信信息
struct sem_undo *semundo; //进程在信号灯上的所有undo操作
struct sem_queue *semsleeping; //当进程因为信号灯操作而挂起时,他在该队列中记录等待的操作
//进程的CPU状态,切换时,要保存到停止进程的task_struct中
struct thread_struct thread;
//文件系统信息
struct fs_struct *fs;
//打开文件信息
struct files_struct *files;
//信号处理函数
spinlock_t sigmask_lock;
struct signal_struct *sig; //信号处理函数
sigset_t blocked; //进程当前要阻塞的信号,每个信号对应一位
struct sigpending pending; //进程上是否有待处理的信号
unsigned long sas_ss_sp;
size_t sas_ss_size;
int (*notifier)(void *priv);
void *notifier_data;
sigset_t *notifier_mask;
u32 parent_exec_id;
u32 self_exec_id;
spinlock_t alloc_lock;
void *journal_info;
};
4.2查看进程
进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/e04b8c2b3607030af785b3aee1b9f029.png)
查看PID为1的进程
ls /proc/1
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/fee54a7c0baa413364ed617d690b290e.png)
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
ps axj | head -1 && ps axj | grep myprocess | grep -v grep
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/1cd6262c78b21321ab0407c83ea9b8e0.png)
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/63d23b32d200a29a1bf6a41f148b8fd5.png)
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/42bc49745bd042ffe8a19ba3274eb530.png)
4.3通过系统调用获取进程标示符
进程id(PID) 父进程id(PPID)
getpid() 获取pid getppid() 获取父进程pid
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
while (1)
{
printf("hello process,我的pid: %d ", getpid());
printf("我的父进程ppid: %d\n", getppid());
}
return 0;
}
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/541a5ba597e2a849dda0605d3915b97f.png)
kill -9 pid //终止进程
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/abf373e9ba6bb621ae17d059ef7845a0.png)
4.4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 <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
printf("AAAAAAAAAAAA:pid:%d ppid:%d\n", getpid(), getppid());
pid_t ret = fork();
printf("BBBBBBBBBBBB: pid:%d, ppid:%d, ret:%d, &ret:%p\n", getpid(), getppid(), ret, &ret);
sleep(1);
return 0;
}
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/5ae45ea4229c8773f2b42323e5cf14a8.png)
发现执行了两个BBBBBBB,父子进程顺序是顺机的,由操作系统决定
这里AAAAAA的父进程其实就是bash
两个问题?
1个函数为什么由两个返回值?
同一个地址,变量有两个值?
fork 之后通常要用 if 进行分流 ret>0的是父进程,ret==0是子进程
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
pid_t ret = fork();
if (ret == 0)
{
// 子进程
while (1)
{
printf("我是子进程,我的pid是:%d,我的父进程是:%d\n", getpid(), getppid());
sleep(1);
}
}
else if (ret > 0)
{
// 父进程
while (1)
{
printf("我是父进程,我的pid是:%d,我的父进程是:%d\n", getpid(), getppid());
sleep(2);
}
}
else
{
}
return 0;
}
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/340a0b8a1ceb9719d77202cbe7668107.png)
fork后执行流变成两个执行流,谁先运行由调度器,且代码共享,通常我们用if /elseif来执行流分流。
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/01135e4ecdcaadb79a5a33cc863ce265.png)
![](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/3bc6dc2844d0a3d9d151147c5511e81a.png)