Linux相关概念和重要知识点（8）（操作系统、进程的概念）

1.操作系统（OS）

（1）基本结构的认识

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，用于实现计算机最基本最底层的操作，这个软件称为操作系统。操作系统大部分使用C语言编写，少量使用汇编语言。

从较大的层面来看，操作系统分为内核（Kernel）和外部程序。内核主要进行进程/任务/线程管理，文件系统管理，内存管理、驱动程序管理；外部程序包括Shell（通常指的是命令行界面CLI）、图形化界面（GUI）、glibc、系统调用的库、预装软件等。

我们要理解：我们平时用图形化界面操作Windows实际上是在GUI的运行基础上进行的，同样，使用Linux的命令行窗口也是在CLI这个程序运行的基础上进行的，我们都是在外部程序里进行的操作

（2）OS软硬件资源管理的理解

操作系统的定位就是控制和管理计算机上软硬件资源，让计算机的使用成本降低，能够走进家家户户。在软件层面，有编译器对语言进行翻译；在硬件层面，有文件系统对磁盘数据进行管理，而操作系统则是夹在软硬件之间的软件，起到沟通、协调作用。总的来说，操作系统对软硬件资源高效且安全地管理，是一种以给用户提供更好的使用体验为目的的手段（以人为本）。

（3）OS的结构和软硬件管理方式

①用户调用接口

我们日常使用的软件都是在这个层面上的，包括图形化界面、命令行。像安卓也是以Linux为底层，在用户调用接口上建立起来的

②系统调用接口（System Call）

对于操作系统而言，它不相信任何人，因为如果它相信用户，自己就危险了，因此它规定用户只能通过操作系统对外提供的接口来进行调用，同时，它也不允许用户跳过它直接向硬件访问。

尽管规定了只能通过接口来访问系统，但是这些接口同样复杂，因此系统调用接口上面还建立了我们日常接触到的软件（用户调用接口），当我们执行操作时，由软件来帮我们调用系统对应的接口，如printf就是通过库来调用对应接口，最后将数据输出到内存文件中。

当我们涉及到任何软硬件沟通时，都需要借助系统调用接口来调用内核。如当我们执行简单数学运算时，运算本身只会占用CPU资源，但运算程序的进程是在内存创建的，因此同样需要调用系统调用接口。

系统调用接口是C语言写的，这就意味着我们凡事要调用系统接口，必须使用C语言。进一步讲，所有编程语言、程序的底层，只要涉及系统接口调用，通通是C语言，包括我们熟知的Java、Python、Rust等

③Kernel

操作系统内核就像是一个管家，向下买菜做饭打扫清洁，向上询问主人的需求。在很多如银行、派出所、医院等也都能见到类似的影子，即用户通过对外开放的窗口提出自己的需求，一层一层向下传递，紧凑有序地完成任务。

④驱动程序

底层硬件都是采用冯诺依曼结构集成在主板上的，能够直接或间接被CPU控制器控制，每一种硬件都要有自己的驱动程序（操作系统自带或需要自己安装），驱动程序不可或缺，因为不同硬件功能不同，实现不同，迭代速度快，如果让操作系统直接访问硬件，那就要频繁修改操作系统和硬件之间的交互方式。为了避免操作系统频繁修改，在操作系统和硬件上做一层抽象，同样以接口形式进行访问，使得开发成本降低。

（4）OS如何控制软硬件资源？先描述，再组织

①硬件层面

Kernel中有大量C语言的数据结构，其中能描述对象的就是结构体。针对不同的硬件，Kernel会在其开辟的内存中存储描述硬件信息的结构体（Linux中一般是struct device），并且将这些结构体通过一定数据结构联系起来（如链表，构成device_list）。这些结构体里面存有硬件基本信息，以及调用驱动程序接口的操作方法。当要和硬件沟通时，Kernel就直接通过struct device调用驱动程序接口，进而和硬件沟通。我们发现，Kernel对硬件的管理转变为对device_list、struct device的管理

②软件层面

由冯诺依曼体系结构出发可以得到，当有程序开始运行时，在SSD（或HDD）中的数据就会被拷贝一份至DRAM中，内存中存储的就是硬盘代码和数据的备份。不仅如此，拷贝的数据还需要进行管理，因为可能同时有多份文件被拷贝进内存。因此，在计算机启动时，DRAM为Kernel分配一定大小的内存中，就有一部分空间是用于描述数据的结构体，称为PCB（进程管理块，PCB是总称，Linux中是struct task_struct）。

PCB底层就是结构体，其功能和前面说的struct device一样，是用于描述载入内存的代码数据的详细信息的。并且这些PCB也以某种数据结构联系在一起，Kernel通过管理这个数据结构，就能够间接管理程序的运行，这也涉及到进程的概念了。

③控制软硬件资源带来的启发-----数据结构、面向对象的思想

通过上面对软硬件管理的方法可以看出，要实现对某对象的管理，需要先对要管理的对象进行描述，将它们的信息和调用方式提取出来放一起，同时不同对象之间用某种结构联系起来（数据结构），进而实现对这些对象的管理（面向对象的思想OOP，体现了管理的本质是对数据和属性的管理）。

OS管理软硬件的资源的核心思想是先描述，再组织。面向对象的思想提供了描述的方法，一系列数据结构提供了组织的方法。这也是C++、Java这种面向对象编程语言出现并在当今作为主流的原因。因为几乎所有的程序逻辑都可以用先描述、再组织的思想来进行管理，而面向对象的语言拥有面向对象设计的类，也有一系列数据结构组成的库。很符合管理对象的条件。

包括生活中，上层对我们的管理也是面向对象的思想，他们不需要和我们见面，他们只需要拿到我们的描述信息，一天里干了什么没干什么，再通过传话就可以实现对我们的管理。

2.进程

（1）进程的概念和组成

运行起来的程序就叫进程（进行中的程序），进程是操作系统管理软件的相关概念，是操作系统调度的实体。

当我们启动一个程序时，操作系统首先向硬盘访问，读取程序相关的代码和数据到DRAM中，这相当于冯诺依曼结构中输入设备 -> 存储器的步骤。但是只有代码和数据还不能管理它，还需要一个结构体来管理，Kernel中的PCB结构体就是完成这项工作的，将我们的代码和数据描述起来。每一项进程对应一个PCB、一块内存空间。换句话说，进程 = PCB（包含进程的属性） + 内存中的代码和数据。PCB通过某种数据结构联系起来（以链表为例，PCB_list），由Kernel管理。这样，操作系统对软件、对进程的管理就转换为对PCB_list管理（对进程属性的管理），这也体现出先描述、再组织的思想。

注意只有操作系统生成了PCB并和代码数据联系起来后，才被操作系统认为是一个进程。

PCB开辟空间的操作是Kernel进行的，当操作系统启动时，DRAM最先为Kernel分配内存。

PCB是一类结构体的总称，在Linux中具体为struct task_struct

（2）并行处理和并发处理

当程序被操作系统管理起来后，就要解决如何执行的问题了。CPU有两种处理进程的方式，一种是并行处理，一种是并发处理。并行处理是将多个任务列表（struct runqueue = PCB组成的数据结构 + 其他属性）分配给多个CPU，同时并行处理。并发处理是指CPU执行进程代码时，会给每一个进程预分配一个时间片，CPU基于时间片进行轮转执行（非常快），每当执行时间达到时间片，不管有没有执行完都切换为下一个。

并行处理加快处理进程的速度，并发处理保证调度任务能较为公平地得到处理。这两种处理方式适用于绝大多数民用系统。但除此之外还有实时操作系统，这只在特殊领域使用。如车载操作系统就是实时操作系统，它不遵循公平处理的原则，必须要求汽车一旦发生紧急情况，操作系统一定要最高优先级处理紧急状况。

（3）调度顺序

这些任务列表会根据并行的处理方式交给CPU每个核心处理，CPU的每个核心都配有一个调度器，任务列表会先交给调度器，由调度器决策如何并发处理，适时将对应的PCB交给运算器进行处理。进程排队的本质是PCB在排队（进程的属性在排队），同样体现先描述、再组织的思想。

（4）查看进程

当我们创建一个进程时，操作系统会为这个进程分配唯一的pid，pid的生成用到了时间戳，因此不连续以及pid前后两次不同是正常的。

我们可以在代码中使用pid_t getpid()来查看运行代码的进程的pid，pid_t本质是int