冯诺依曼体系结构——存储器

存储器主要指的是内存，它有个特点就是掉电易失

磁盘等其它输入和输出设备

为什么要在计算机体系结构中要存在内存

我们知道，CPU的处理速度很快很快，但输入设备，以及输出设备，是相对很慢的两个结构，CPU处理完某件事之后，等待着输入设备再次将程序送进来进行计算，但是输入设备又不能很快的送达，因此，在等待的这段时间内，CPU是处于一个闲置的的状态，完全浪费了CPU高速处理事件的能力。这就需要一个物件积存一定量的任务，等到满足某个条件的时候，再将它送给CPU

OS——管理者

为什么要有操作系统：

操作系统是在计算机出来之后慢慢才有的，没有操作系统，就要自己控制硬件，人工管理硬件，效率低，它是管理者

就好比，你在渲染视频，你需要左手一边渲染，右手人工转动风扇，防止机体温度过高，导致线路烧坏

也好比，你在打王者荣耀，你需要一只手一直操控界面，另一只手要扯弄着网卡

有了OS的管理，我们才会方便很多

所以从为什么需要OS可以转换为为什么要有OS的管理

为什么要OS的管理

OS通过对下管理好软硬件资源，从而对上提供一个良好的运行环境（稳定，高效，安全）

前者是手段，后者是目的，所以我们才需要操作系统，因为人工管实在是太慢了

操作系统管理软硬件方式

先描述，在组织

即先描述好软硬件的基本属性，自身状态等内容，将这些属性抽象成结构体或者类类型，从而得以组织起来

再用适合的数据结构，如：链表，队列等，将其串联起来

这样只要OS需要某个硬件干什么，就先告诉驱动去办，搞完后再回头通过修改存储有各种硬件的数据结构里的数值，从而达到更新效果

如果保证OS的安全 

系统调用接口

为了保证操作系统的安全，即防止某些用户会对操作系统里的数据进行非法行为，操作系统就在用户和操作系统之间再设计一层系统调用接口，这里的系统调用接口，就是操作系统向上提供的调用接口，这些接口的存在不允许用户直接访问操作系统，只能通过它们才能访问。

这些接口也相当于用C语言设计的函数，由操作系统提供

就好比银行自动柜台，它不会直接将钱币暴露给你，而是通过柜台，一步步验证你的身份信息，密码等相关内容，将你所需要的一定数目的金额发放出来。所有的柜台都是银行提供的，所有的动作银行都能监控，这些柜台就相当于系统调用接口

经过OS的函数，因为OS不信任任何东西，这个函数的底层一定会封装系统调用，比如printf()， 只要是会影响到底层硬件的函数，一定会包含系统调用接口

系统调用接口的实例

库函数由用户层提供，并不一定所有的库函数都会调用系统调用，即用户可以直接跨过用户操作接口使用系统调用接口。

而用户操作接口就相当于系统调用接口的封装，以便用户可以直接调用等等，然后很多接口又封装成lib，比如printf 和 scanf 被封装在C++/C标准库里

真正实践了OS通过对下管理好软硬件资源，从而对上提供一个良好的服务（稳定，高效，安全）

越级访问

只要库函数调用了系统调用，它两就是上下层关系，库函数在上，系统调用在下

所有用户都不能直接越过OS就访问软硬件，驱动程序，即不能够越级访问，如果越级访问了，那么我还要OS的管理干嘛呢，如果用户直接越过OS就访问软硬件，那么用户会不会对我的软硬件干坏事呢？所以不允许用户直接越级访问

进程

我们编译后的二进制文件是放在外设磁盘中，要运行的时候加载到内存里，然后被CPU运行计算

我们可以启动多个程序，意味着将多个exe加载到内存

OS如何管理加载到内存的多个程序 ？

PCB（task_struct)

先描述，在组织

加载到内存的exe，OS刚开始的时候并不认识

OS为了更好的管理每一个加载进内存的exe， OS必须为每一个进程创建一个描述该进程的结构体变量或者对象 ，然后在将属性记录下来，这些结构体变量或者对象就被称为PCB

struct PCB{//状态//标识符//优先级//内存指针字段// ...//几乎所有的属性字段//struct PCB* next;
}

PCB：进程控制块

所以，某个程序运行时需要的字节大小，其实在内存时都会给这个程序多开，多出来的一般就会存放这个进程的PCB

进程的管理跟变成二进制的代码没有任何关系，跟与之形成的PCB有关系，对进程的管理转换为对PCB的管理

为什么程序加载到内存之后，变成进程之后，我们要给每一个进程形成一个PCB的对象呢？

因为OS要进行管理

所以进程 = 内核PCB对象 + 可执行程序 

内核数据结构 + 可执行程序 也可称为进程

进程排队

我们一般所说的让进程排队之列的，本质上是指PCB在排队，并不是可执行程序在排队

一般用队列实现，所以进程能被动态的调度，本质上就是把进程PCB放入到运行队列里，让CPU调度

进程排队的管理

所有对进程的控制和操作都只和进程的PCB有关，跟进程的可执行程序没有关系！！！

PCB不仅可以放到链接里，还可以放到其它容器里

PCB在Linux叫做 task_struct，属于OS的数据

task_struct内容分类

• 标识符：标示符: 描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程，PID.
• 状态: 任务状态（是运行的，还是阻塞的等等），退出代码，退出信号等。
• 优先级:相对于其他进程的优先级，以此来确认谁先得到CPU运算。
• 程序计数器: 程序中即将被执行的下一条指令的地址，程序寄存器。
• 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 。
• 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

程序计数器：

CPU干的活就是取指令->分析指令->执行指令

CPU内部存在一种寄存器，里面存着eip/PC指针

PC指针指向的是当前正在执行指令的下一条指令的地址

判断，循环，跳转，本质就是修改PC指针

同时pc指向哪一个进程的代码，就表示哪一个进程被调度执行，pc指针就能成为程序计数器

进程实例

ps axj 查看进程指令

命令本身指令，几乎所有的独立运行的指令，都是程序，运行起来也要变成进程

PCB是在OS内进行维护的，它属于内核数据结构，所以要获取PCB的数据，就必须经过OS的调用

PID就是PCB（task_struct) 的标识符，getpid()，用于获取子进程编号

一般在Linux中，每个子进程都有父进程，父进程就是PPID，getppid()，获得的就是父进程id

每一次启动进程的pid几乎都会变化，因为已经变成新进程了

但是父进程却一直都没变，所有的进程都是bash的子进程

进程信息也可以通过文件目录查询到

ll /proc

这些蓝色字体就是进程的PID，LINUX会将进程相关的信息，以PID为命名的目录形式，把进程的属性放到该目录下

磁盘文件与内存文件区别

一个进程启动了，将它的可执行文件删掉之后，我们能发现这个进程还在跑 

因为在运行一个程序时，本质是将磁盘的内容拷贝到内存，删除的是磁盘里的内容，但我内存里拷贝的那份还在跑，当我退出的时候，这个进程才彻底消失并且再也找不到了

cwd：当前工作目录

在我们创建在编译器用fopen等函数，创建文件的时候，编译器就会根据cwd为其保证是在当前目录底下的

那么如何改变当前目录呢？

更改当前目录

用change dir

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>int main(){printf("这个进程的pid：%d\n",getpid());printf("现在更改它的当前工作目录\n");sleep(10);chdir("我想要的目录");ptintf("更改当前工作目录之后！\n");FILE* fp = fopen("test.txt","w");if(fp == NULL)return 1;fclose(fp);
}

所以当前目录是什么咋咋咋之类的，一定是因为当前程序运行起来变成进城之后，PCB里有cwd，从而能够认识到当前目录是什么

通过系统调用创建进程-fork

返回值pid_t ，它是一个整数，fork函数就是创建子进程的

  1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h>3 #include<sys/types.h>4 5 int main(){6   printf("在使用fork之前，我是一个进程了，我现在的pid是：%d，ppid是:%d\n",getpid(),getppid());7   fork();8   printf("在使用fork之后，我是一个进程了，我现在的pid是：%d，ppid是:%d\n",getpid(),getppid());9   sleep(3); //防止乱序，让它休眠3秒                                                                                                                                                                          10   return 0;                                                                                                                                                                        11 }    

我们发现在使用fork之前这条语句，每次运行只打印一遍，而在使用fork之后这条语句打印了两遍

也就是在fork之后，就分成了两个分支，两个分支都会走  

printf("在使用fork之后，我是一个进程了，我现在的pid是：%d，ppid是:%d\n",getpid(),getppid());

但是经历了fork之后，第一个进程跟原本的进程是一致的，第二个进程是第一个进程的子进程

fork之后，父和子进程都会进行

那我原本的进程1546是谁，我们应该如何查看

使用命令：

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 1546

很明显，它是我们的bash进程

fork返回值

pid_t id=fork();
printf("在使用fork之后，我是一个进程了，我现在的pid是：%d，ppid是:%d,retuen id是：%d\n",getpid(),getppid(),id);  

返回值说明

在成功的时候，fork之后的，对父进程返回PID，对子进程返回0

如果失败了，就返回-1给父进程，不创建子进程 

不同进程可以同时跑动

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>int main() {printf("在使用fork之前，我是一个进程了，
我现在的pid是： %d,ppid是: %d\n", getpid(), getppid());sleep(3);pid_t id = fork();if (id == -1)  return 1;else if (id == 0) {while (1) {printf("在使用fork之后，我是一个进程了，
我现在的pid是： %d，ppid是: %d, retuen id是： %d\n", getpid(), getppid(), id);sleep(1);}}else {while (1) {printf("在使用fork之后，我是一个进程了，
我现在的pid是： % d，ppid是: % d, retuen id是： % d\n", getpid(), getppid(), id);sleep(1);}}sleep(3); //防止乱序，让它休眠3秒return 0;
}

可以看到系统在不断的编译着两个死循环，这两进程又是父子进程

即父进程再跑，子进程也在跑

为什么fork的时候，两类代码都能跑

我们的每一类进程 = 内核数据结构 + 可执行程序的代码和数据

fork函数是父进程自己执行的，创建一个进程的时候，系统就会多一个进程

创建出了子进程，意味着创建出了子进程的task_struct，但是这个时候，我们又没有相应的可执行程序的代码和数据给子进程，所以它会指向父进程的代码和数据指向 ，但是父进程可以进行代码分流

父进程会将自己PCB里面的很多属性拷贝给子进程，从而才能使子进程跟父进程看到同样的代码，父进程并不是100%给子进程

用相同的代码，执行出不同的结果的原因是，父进程的代码进行了分流

Q：给父进程返回PID，给子进程返回0，为什么会这样

A：因为一个子进程只有一个父进程，子进程可以很容易的找到父进程，但是一个父进程可以有多个子进程，为了方便找到那个子进程，就需要返回那个子进程的编号，即PID

Q ：fork为什么会返回两次

A ：在fork函数里面，当已经运行到了最后开始执行return的时候，这个函数核心逻辑就已经做完了，也就是说子进程的创建，子进程PCB的拷贝复制，已经指向同一块代码的时候就已经完成了，此刻的他们已经运行他们各自的return了，也就是说代码在返回之前就裂开了

Q ：id怎么可能同一个变量，既等于0，又大于0

A ：进程是具有独立性的，互相不能互相影响，父子进程也是如此

OS能够保证进程之间的独立性，当某方想要修改其中代码的属性的时候，比如子进程想将代码里的a变量改为自己想要的值，OS为了父进程不受影响，OS会拷贝一份数据，交给子进程，让子进程拿着这份数据去玩，不要打扰父进程，同样，反过来也是如此，这种就叫做写时拷贝

写时拷贝带来的结果便是，子进程和父进程会使用两个不同的空间

返回的本质，就是写入

在Linux中，相同变量名可以表示不同的内存

一次创建多个进程

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<sys/types.h>    
#include<stdlib.h>    const int num = 10;    void Worker(){    int cnt = 12;    while(cnt)    {    printf("child %d is running ,cnt: %d\n",getgid(),cnt);    cnt --;    sleep(1);    }    
}    int main(){    for(int i =0;i<num;i++){    pid_t id = fork();    if(id<0) break;    if(id == 0)    {    Worker();    exit(0);    //结束一个进程，这里就是结束子进程，从而不妨碍下次的子进程}    printf("father create child ,child's PID is %d\n",id);    sleep(1);    }    //只有父进程才能走到这里sleep(10);                                                                                        return 0;    
}    

 进程的状态

1，进程排队

进程不是一直运行的

它可能在等待某些资源，比如scanf( ) ，在输入数值之前，系统就相当于在等待数值资源，进程因此也没在运行 

进程放在了CPU上，也不是一直会运行的， 

写个死循环加载到CPU上，CPU不会放任这个死循环就一直让它搞事情，CPU有个叫时间片的东西，只要你的进程超过一定的阈值，它就会将这个进程拿下来

进程排队，一定是等待某种资源，这里的排队是指 task_struct（PCB） 在排队

一个task_struct 可以被链入多种数据结构中

这里那链表为例子

struct listnode
{struct listnode* next;struct listnode* prev;
}

每个PCB之间排队的时候又不是直接头对尾这样排，而是中间嵌入一个结构体，存放前驱和后驱指针，用它来进行排队，这样排队的占比大小又会减少

通过链表链接，我们是能够知道listnode的地址值的，但是我们却不能直接的知道我们每个PCB的开头值，那么我们可以

令 &n 为中间结构体的地址

1. &n：表示获取变量n的内存地址。

2. ((task_struct*)0)：这是一个类型转换操作。0被强制转换为task_struct类型的指针，变成0x0000 0000 0000 0000。

3. ->：这是C语言中指针的成员访问操作符。它允许你通过指针访问结构体的成员。

4. n：这是结构体task_struct中的一个成员变量。

整个表达式&n - &((task_struct*)0->n)的意思是，它计算了两个地址之间的差值。第一个地址是变量n的地址，第二个地址是通过将0转换为task_struct类型的指针并访问它的成员n得到的地址。这个差值用来表示成员n在结构体task_struct中的偏移量。

也就是说把0号地址当成了开始处，到对象0的n处的话，就是偏移

哪个进程需要进行的话，就将它到相应的队列里，然后更改对应的链表指针指向即可

以上便是本次博文的学习内容，如有错误，还望大佬指定，谢谢阅读