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。
截至目前,我们所认识的计算机,都是有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
关于冯诺依曼,必须要注意几点:
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,从你登录上 qq 开始和某位朋友聊 天开始,数据的流动过程。 从你打开窗口,开始给他发消息,到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在 qq 上发送文件呢?
操作系统
概念
任何一个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"?
管理的例子;
描述被管理对象;
组织被管理对象。
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。
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。
进程
基本概念
课本概念: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(CPU时间,内存)的实体。
程序与进程是什么?程序与进程又有什么区别?
程序(procedure):不太精确地说,程序就是执行一系列有逻辑、有顺序结构的指令,帮我们达成某个结果。就如我们去餐馆,给服务员说我要牛肉盖浇饭,她执行了做牛肉盖浇饭这么一个程序,最后我们得到了这么一盘牛肉盖浇饭。它需要去执行,不然它就像一本武功秘籍,放在那里等人翻看。
进程(process):进程是程序在一个数据集合上的一次执行过程,在早期的UNIX、Linux 2.4及更早的版本中,它是系统进行资源分配和调度的独立基本单位。同上一个例子,就如我们去了餐馆,给服务员说我要牛肉盖浇饭,她执行了做牛肉盖浇饭这么一个程序,而里面做饭的是一个进程,做牛肉汤汁的是一个进程,把牛肉汤汁与饭混合在一起的是一个进程,把饭端上桌的是一个进程。它就像是我们在看武功秘籍这么一个过程,然后一个篇章一个篇章地去练。
进程的特性:
**并发:**在一个时间段内,宏观来看有多个程序都在活动,有条不紊的执行(每一瞬间只有一个在执行,只是在一段时间有多个程序都执行过)
**并行:**在每一个瞬间,都有多个程序都在同时执行,这个必须有多个 CPU 才行
而随着程序的发展越做越大,又会继续细分,从而引入了线程的概念,当代多数操作系统、Linux 2.6及更新的版本中,进程本身不是基本运行单位,而是线程的容器。就像上述所说的,每个部门又会细分为各个工作小组(线程),而工作小组需要的资源需要向上级(进程)申请。
线程(thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。因为线程中几乎不包含系统资源,所以执行更快、更有效率。
简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。线程的划分尺度小于进程,使得多线程程序的并发性高。另外,进程在执行过程中拥有独立的内存单元,而多个线程共享内存,从而极大地提高了程序的运行效率。就如下图所示:
描述进程-PCB
进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中,可以理解为进程属性的集合。
查看进程
进程的信息可以通过/proc系统文件查看
如:要获取PID为1的进程信息,需要查看/proc/1这个文件夹
通过系统调用获取进程标识符
进程id :PPID
父进程id :PPID
cpp
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
printf("pid: %d\n", getpid());
printf("ppid: %d\n", getppid());
return 0;
}
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)
cpp
//需要包含的头文件
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
fork()会创建出一个子进程。
fork()函数会返回两个值,返回值是0的话,此时是子进程,返回值不等于0的话,返回的是子进程的id。
fork之后通常要用if进行分流
cpp
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int ret = fork();
if (ret < 0)
{
perror("fork");
}
else if (ret == 0)
{
printf("我是子进程:%d!ret = %d\n", getpid(), ret);
}
else
{
printf("我是父进程:%d! ret = %d\n", getpid(), ret);
}
sleep(2);
return 0;
}
进程状态
Linux内核源代码怎么说
为了弄明白正在运行的进程是什么意思,我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态(在Linux内核里,进程有时候也叫做任务)。
下面的状态在 kernel 源代码里定义:
cpp
/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
static const char * const task_state_array[] = {
"R (running)", /* 0 */
"S (sleeping)", /* 1 */
"D (disk sleep)", /* 2 */
"T (stopped)", /* 4 */
"t (tracing stop)", /* 8 */
"X (dead)", /* 16 */
"Z (zombie)", /* 32 */
};
R 运行状态( running ) : 并不意味着进程一定在运行中,它表明进程要么是在运行中要么在运行队列里。
S 睡眠状态( sleeping): 意味着进程在等待事件完成(这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠
( interruptible sleep ))。
D 磁盘休眠状态( Disk sleep )有时候也叫不可中断睡眠状态( uninterruptible sleep ),在这个状态的进程通常会等待IO 的结束。
T 停止状态( stopped ): 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止(T)进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。
X 死亡状态( dead ):这个状态只是一个返回状态,你不会在任务列表里看到这个状态。
进程状态查看
bash
ps aux / ps axj 命令
僵尸进程(zombie)
僵死状态是一个比较特殊的状态,当进程退出并且父进程(使用wait())没有读取到子进程退出的返回代码时就会产生僵尸进程。
僵尸进程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。
所以,只要子进程退出,父进程还在运行,但父进程没有读取到子进程状态,子进程进入僵尸状态,就是僵尸进程。
cpp
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id < 0)
{
perror("fork");
}
else if (id > 0)
{ // parent
printf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());
sleep(30);
}
else
{
printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());
sleep(5);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
return 0;
}
僵尸进程的危害
进程的退出状态必须被维持下去,因为他要告诉关心它的进程(父进程),你交给我的任务,我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取,那子进程就一直处于Z 状态?是的!
维护退出状态本身就是要用数据维护,也属于进程基本信息,所以保存在 task_struct(PCB) 中,换句话说,Z 状态一直不退出, PCB 一直都要维护?是的!
那一个父进程创建了很多子进程,就是不回收,是不是就会造成内存资源的浪费?是的!因为数据结构对象本身就要占用内存,想想C 中定义一个结构体变量(对象),是要在内存的某个位置进行开辟空间!
内存泄漏
孤儿进程
父进程先退出,子进程就称之为 " 孤儿进程 "
孤儿进程被 1 号 init 进程领养,当然要有 init 进程回收。
cpp
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
pid_t id = fork();
if(id < 0){
perror("fork");
return 1;
}
else if(id == 0){//child
printf("I am child, pid : %d\n", getpid());
sleep(10);
}else{//parent
printf("I am parent, pid: %d\n", getpid());
sleep(3);
exit(0);
}
return 0;
}
进程优先级
CPU分配资源的先后顺序,就是指进程的优先权。
优先权高的进程有优先执行的权力,配置进程优先权对多任务环境的linux很有用,可以改善系统性能。
还可以把进程运行到指定的CPU上,这样以来,把不重要的进程安排到某个CPU,可以大大改善系统整体性能。
查看系统进程
bash
ps -l
- 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
PRI 和 NI
PRI 也还是比较好理解的,即进程的优先级,或者通俗点说就是程序被 CPU 执行的先后顺序,此值越小进程的优先级别越高。
那 NI 呢 ? 就是我们所要说的 nice 值了,其表示进程可被执行的优先级的修正数值
PRI 值越小越快被执行,那么加入 nice 值后,将会使得 PRI 变为: PRI(new)=PRI(old)+nice
这样,当 nice 值为负值的时候,那么该程序将会优先级值将变小,即其优先级会变高,则其越快被执行所以,调整进程优先级,在Linux 下,就是调整进程 nice 值
nice 其取值范围是 -20 至 19 ,一共 40 个级别。
查看进程优先级的命令
用top命令更改已经存在进程的nice值:
top
进入 top 后按 "r"--> 输入进程 PID--> 输入 nice 值
环境变量
基本概念
环境变量 (environment variables) 一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数,如:我们在编写C/C++ 代码的时候,在链接的时候,从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里,但是照样可以链接成功,生成可执行程序,原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。
环境变量通常具有某些特殊用途,还有在系统当中通常具有全局特性
常见环境变量
PATH:指定命令的搜索路径
HOME:指定用户的主工作目录(即用户登录到Linux系统中时,默认的目录)
SHELL:当前Shell,它的值通常是/bin/bash
查看环境变量方法
bash
echo $NAME //环境变量名称
测试PATH
1.创建hello.c文件
cpp
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("hello world!\n");
return 0;
}
- 对比 ./hello 执行和之间 hello 执行
- 为什么有些指令可以直接执行,不需要带路径,而我们的二进制程序需要带路径才能执行?
- 将我们的程序所在路径加入环境变量 PATH 当中 , export PATH=$PATH:hello 程序所在路径
- 对比测试
- 还有什么方法可以不用带路径,直接就可以运行呢?
环境变量的组织方式
每个程序都会收到一张环境表,环境表是一个字符指针数组,每个指针指向一个以 '\0' 结尾的环境字符串。
通过代码如何获取环境变量
命令行第三个参数
cpp
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[], char *env[])
{
int i = 0;
for(; env[i]; i++){
printf("%s\n", env[i]);
}
return 0;
}
通过第三方变量environ获取
cpp
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
extern char **environ;
int i = 0;
for(; environ[i]; i++){
printf("%s\n", environ[i]);
}
return 0;
}
libc 中定义的全局变量 environ 指向环境变量表 ,environ 没有包含在任何头文件中 , 所以在使用时 要用 extern 声明。
通过系统调用获取或设置环境变量
putenv
getenv
cpp
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
printf("%s\n", getenv("PATH"));
return 0;
}
进程的状态
虚拟地址空间
cpp
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 0;
int main()
{
pid_t id = fork();
if (id < 0)
{
perror("fork");
return 0;
}
else if (id == 0)
{ // child,子进程肯定先跑完,也就是子进程先修改,完成之后,父进程再读取
g_val = 100;
printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
}
else
{ // parent
sleep(3);
printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
}
sleep(1);
return 0;
}
我们发现,父子进程,输出地址是一致的,但是变量内容不一样!能得出如下结论 :
变量内容不一样 , 所以父子进程输出的变量绝对不是同一个变量
但地址值是一样的,说明,该地址绝对不是物理地址!
在 Linux 地址下,这种地址叫做 虚拟地址
我们在用 C/C++ 语言所看到的地址,全部都是虚拟地址!物理地址,用户一概看不到,由 OS 统一管理
OS必须负责将 虚拟地址 转化成 物理地址 。
同一个变量,地址相同,其实是虚拟地址相同,内容不同其实是被映射到了
不同的物理地址!