【Linux】浅谈冯诺依曼和进程

一、冯诺依曼体系结构

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冯诺依曼由 输入设备、输出设备、运算器、控制器、存储器 五部分组成。

冯诺依曼的设计特点

  1. 二进制表示
    所有数据（包括程序指令）均以二进制形式存储和运算，简化了硬件逻辑设计，提高了可靠性。

  2. 存储程序原理 程序与数据共同存储于同一存储器中，且程序可像数据一样被修改。

  3. 顺序执行机制 指令按线性顺序逐条执行，由程序计数器（PC）控制执行流程。

  4. ​指令结构 每条指令由操作码​（定义操作类型）和地址码​（指定操作数位置）组成。

冯诺依曼体系结构的作用

引言： 外设 和 CPU 读取速度完全不一样，如果 外设 和 CPU 直接进行数据交互，就会导致 CPU 读取速度非常缓慢。但 冯诺依曼体系结构 就解决了这种问题，那它是怎么解决的呢？

  1. 内存作为缓冲区
    冯·诺依曼体系结构将内存作为CPU和外设之间的缓冲区。外设将数据写入内存，CPU再从内存读取数据进行处理。这种设计解决了CPU与外设之间速度不匹配的问题。例如，外设（如硬盘）的读写速度远低于CPU，通过内存作为中间存储，可以避免CPU长时间等待外设完成操作。
  2. 中断机制
    冯·诺依曼体系结构引入了中断机制，以优化CPU与外设之间的交互。外设在完成数据写入内存后，会发送中断信号通知CPU。CPU在收到中断信号后，再读取内存中的数据进行处理。这种方式避免了CPU轮询外设状态的低效操作，使得CPU可以将更多时间用于执行其他任务。
  3. 数据传输的统一性
    在冯·诺依曼体系结构中，所有数据（包括程序指令和外设数据）都通过内存进行交互。这种统一的数据流动模式简化了硬件设计，使得CPU只需要支持对内存的读写操作，而无需直接处理多种外设协议。
  4. 存储分级
    冯·诺依曼体系结构通过存储分级（如寄存器、缓存、内存、外存）来优化数据访问速度。内存作为中间层，其访问速度远高于外设，但低于CPU缓存和寄存器。通过这种分级设计，数据可以按需在不同存储层级之间流动，从而提高整体效率。
  5. 操作系统与驱动程序的支持
    操作系统通过驱动程序将外设的复杂操作抽象成统一的接口，进一步优化了CPU与外设之间的数据交互。驱动程序可以动态更新，以支持新功能，而无需修改硬件。

二、操作系统（Operator System）

概念

操作系统（Operating System，简称OS） 是管理计算机硬件与软件资源的系统软件。它提供用户接口和资源分配，是计算机系统中最基本的系统软件，任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，统称为 操作系统（OS） 。
简单来讲， 操作系统 包含 ：

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

设计OS的目的

  1. 对下，与硬件交互，管理所有软硬件资源
  2. 对上，为用户程序提供一个良好的运行环境
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OS如何管理软、硬件

OS 是怎么管理软、硬件的呢？，简单6个字就可以总结：先描述，再组织

  1. 先描述 ：描述起来，用 struct 结构体来描述
  2. 再组织 ：通过数据结构报 struct 结构体组织起来，用链表或其他数据结构（队列、哈希等）组织起来

进程

上面讲了 OS 是怎么将软硬件资源管理起来的，那么对于进程也是再这样吗？答案是肯定的

概念

  1. 进程信息被放在一个叫做 进程控制块 的数据结构中，可以理解为描述进程属性的结构体
  2. 课本上称之为 PCB （process control block）, Linux 操作系统下的PCB叫做 task_struct,是一种结构体

task_struct （描述进程）

task_struct 中的进程属性很多，我在这里描述其中的一部分：
3. 标识符：描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程
4. 状态：任务状态，退出代码，退出信号等
5. 优先级：用来描述进程被调度的先后的数字，数字小的优先级高，数字大的优先级低，和成绩排名有异曲同工之妙
6. 程序技术器（PC）：表示程序中即将执行的下一条指令的地址
7. 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内存块的指针
8. 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据，主要包括：
CPU寄存器的值：包括程序计数器（PC）、指令寄存器、堆栈指针等。
内存映射信息：进程的虚拟内存空间布局。
进程状态：如运行状态、阻塞状态、就绪状态等。
I/O状态：与进程相关的输入输出设备的状态。
其他系统资源的状态：如文件描述符、信号状态等。
9. I / O状态信息：包含显示的 I / O 请求，分配给进程的 I / O 设备和被进程使用的文件链表
10. 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，记账号的等。

组织进程

PCB 在内核中使用双链表进程链接起来的
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查看进程

  1. 通过 /proc 系统文件夹来查看
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  2. 通过 top 和 ps 这些用户工具来获取进程信息
    top: top -p [pid]
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    ps: ps axj

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通过系统调用获取进程标识符

  • 获取进程id （PID）：getpid()
  • 父进程id （PID）: getppid()
  • 通过手册来查看相关系统调用：man 2 getpid
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通过系统调用fork创建子进程

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通过 fork 创建的子进程和父进程共享同一份代码，但数据是各自私有的（写时拷贝）（其中 pid_t 的类型其实是一个有符号整数类型，取了个别名而已，当 fork() 返回值为 0 时就表示子进程，当 fork() 返回值大于0时，表示的就为父进程。）
至于为什么数据各自私一份，有我们通过一个程序就可以看出来

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main()
{int val = 0;pid_t id = fork();if(id == 0)//表示子进程{while(1){printf("我是子进程，pid: %d ,ppid: %d, val = %d\n",getpid(),getppid(),val++);sleep(1);}}else//父进程{while(1){printf("我是父进程，pid: %d ,ppid: %d, val = %d\n",getpid(),getppid(),val);sleep(1);}}return 0;
}

程序运行结果：
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可以看到父进程和子进程的 val 的值并不是一样的，我们就可以得出父子进程并不共享同一份数据的结论

进程状态

进程状态有很多种：

  • R运行状态：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么在运行中，要么在运行队列中（运行队列用于管理处于“就绪状态”（Ready State）的进程。这些进程已经准备好运行，但正在等待 CPU 时间片分配。当调度器选择一个进程运行时，它会从运行队列中选取一个进程，并将其状态从“就绪”变为“运行”。）
  • S睡眠状态：以为着进程在等待事件完成（也叫做可中断睡眠）
    注意： 以下有个场景可能让人误会为是 R 状态 ，但其实是 S 状态

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main()
{int cnt = 0;while(1){printf("pid: %d,cnt = %d\n",getpid(),cnt++);}return 0;
}~

这里可能很多认为进程的状态是R状态，其实不然，这里的进程状态其实大部分都是S+（+表示是前台进程）状态，为什么呢？因为进程这里大部分时间都在做IO交互，IO的时间是很慢的，所有看不到R状态
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表示每隔1秒查看对应名为code进程的信息：while :;do ps axj | head -1 && ps axj | grep code | grep -v grep;sleep 1 ; done
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  • D磁盘休眠状态：有时候叫做不可中断状态（不会响应信号），在这个状态等待IO的结束

  • T停止状态：可以通过发送 SIGSTOP 信号来给进程停止 （T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCOUT 信号让进程继续执行
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  • X死亡状态：这是一个返回状态，你不会在任务列表中看到这个状态，因为这是一个瞬时状态，一下就消失了

  • Z僵死状态：是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程没有读到子进程返回的退出码时，子进程就会除以一个僵死状态。僵死状态会以终止状态保持在进程表中，并且会一直等待父进程读取退出状态代码（通过 kill -9 pid 杀死子进程就可以看到子进程处于僵死状态）
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僵死状态危害

没创建一个子进程就需要一个 PCB ，如果父进程创建了很多子进程，而没有去回收就会造成内存资源的浪费

孤儿进程

父进程如果提前退出，子进程就会变成孤儿进程，孤儿进程就会被1号 init 也就是操作系统启动后第一个运行的用户空间程序
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进程优先级

基本概念

  • cpu资源分配的先后顺序，就是进程的优先权。

  • 优先级高的进程有优先执行权利。
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  • 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（修正优先级数值的）

其中 PRI（new） = PRI（采用默认值80） + nice

更改进程nice值

通过更改进程 nice 来改变进程优先级
用 top 命令来改变进程 nice 值：

  1. 进入top后按 “r” -> 输入进程PID -> 输入nice值

进程竞争、独立、并行、并发

  1. 竞争：本质是僧多粥少，系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，所以进程之间具有竞争属性，为了更高效的完成任务，更合理竞争相关资源，于是就有了优先级
  2. 独立：多进程在运行时，需要独享各种资源，进程之间互不干扰，就算一个进程挂掉了，也不影响另一个进程，而如果线程挂掉了，不仅会影响其他进程，可能还会导致进程挂掉。
  3. 并行：多个进程在多个CPU下同时进行运行
  4. 并发：多个进程在同一个CPU资源下采用进程切换的方式，在同一段时间之内，让多个进程都得以推进

进程切换

在多任务操作系统中，多个进程会共享有限的 CPU 资源。为了实现高效的资源利用和良好的用户体验，操作系统需要在这些进程之间切换 CPU 的控制权。这种切换通常发生在以下几种情况：

  1. 时间片用完：在时间片轮转（Round Robin）调度算法中，当一个进程的时间片用完时，操作系统会将 CPU 切换到另一个进程。
    进程阻塞：当一个进程因为等待 I/O 操作（如磁盘读写、网络通信）而阻塞时，操作系统会将 CPU 切换到另一个就绪的进程。
    更高优先级的进程就绪：当一个更高优先级的进程进入就绪队列时，操作系统可能会抢占当前运行的进程，将 CPU 切换到优先级更高的进程。
    系统调用或中断：当进程执行系统调用或发生中断时，操作系统可能会触发进程切换。
  2. 进程切换的过程
    进程切换是一个复杂的过程，涉及到多个步骤，主要包括以下内容：
    2.1 保存当前进程的上下文
    当操作系统决定切换进程时，首先需要保存当前运行进程的上下文信息。上下文信息包括：
    CPU 寄存器的值：如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、堆栈指针（SP）等。
    进程状态：如运行状态、就绪状态或阻塞状态。
    内存映射信息：如页表或段表。
    I/O 状态：如打开的文件描述符、设备状态等。
    这些上下文信息通常被保存在进程控制块（PCB，Process Control Block）中，或者在内核栈中。
    2.2 更新进程状态
    操作系统会更新当前进程的状态，将其从“运行状态”（Running State）改为“就绪状态”（Ready State）或“阻塞状态”（Blocked State），具体取决于进程为何被切换出去。
    2.3 选择下一个要运行的进程
    操作系统通过调度器（Scheduler）选择下一个要运行的进程。调度器会根据调度算法（如先来先服务、时间片轮转、优先级调度等）从就绪队列中选择一个进程。
    2.4 恢复新进程的上下文
    操作系统从新进程的 PCB 或内核栈中恢复其上下文信息，包括：
    将寄存器的值恢复到 CPU 寄存器中。
    更新内存映射信息。
    恢复 I/O 状态。
    2.5 将 CPU 控制权交给新进程
    操作系统将 CPU 的控制权交给新进程，新进程从上次被中断的地方继续执行。
  3. 进程切换的开销
    进程切换是一个相对昂贵的操作，因为它涉及到大量的上下文保存和恢复工作。每次切换都会消耗一定的 CPU 时间，具体开销包括：
    寄存器保存和恢复：保存和恢复 CPU 寄存器的值。
    内存映射切换：更新页表或段表。
    调度器开销：选择下一个进程的开销。
    缓存失效：切换进程可能导致 CPU 缓存失效，新进程需要重新加载数据到缓存中。
    因此，操作系统会尽量减少不必要的进程切换，以提高系统性能。
  4. 示例：进程切换的场景
    假设系统中有两个进程 A 和 B，它们共享 CPU 资源。以下是进程切换的一个简单示例：
    进程 A 运行：
    进程 A 正在 CPU 上运行，执行某些任务。
    时间片用完，操作系统决定切换进程。
    保存进程 A 的上下文：
    操作系统保存进程 A 的寄存器值、内存映射信息等，并将其状态从“运行状态”改为“就绪状态”。
    选择进程 B：
    调度器从就绪队列中选择进程 B。
    恢复进程 B 的上下文：
    操作系统恢复进程 B 的寄存器值、内存映射信息等。
    进程 B 运行：
    进程 B 从上次被中断的地方继续执行。

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Linux2.6内核进程O(1)调度队列

LInux源码查看网站
Linux源码官方网站

Linux2.6内核调度队列

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活动队列（array[0]）
  • 时间片还没有结束的所有的进程都会按照优先级放在该队列
  • nr_active：总共有多少个运行的进程
  • queue[140]：一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照 FIFO（先进先出）的规则排队调度，所以数组下标就是优先级
  • bitmap[5]：一共140个优先级，用位图就可以提高非空队列的效率，一个整形占32个比特位，数组大小为5，就有5 * 32 = 160 个bit位来表示队列是否为空，大大提高了查找效率
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过期队列
  • 过期队列上的进程都是时间片耗尽之后的进程
  • 活动队列上的进程都被处理完毕以后，就会对过期队列的进程进行时间片重新计算
active 和 expired 指针
  • active指针永远指向活动队列
  • expired指针永远指向过期队列
  • 活动队列中的进程进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期就会进入过期队列，但在合适的时间交换 active 指针和 expired 指针的内容，即 swap(&active,&expired) ,活动队列就又有了一批新的活动进程

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