一.操作系统&五大硬件单元

1.冯诺依曼结构（基础认知）

• 五大部件：
  输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器（后两者组成CPU）
• 核心特点：
  指令和数据同一存储
  按顺序执行
• 本质：
  所有软件最终都是在内存中运行的（CPU不直接和硬盘、键盘打交道，所有数据必须先加载到内存。）

2.操作系统目的

• 操作系统本质是一个“管理软件”，核心目标：
  管理硬件资源：
        CPU（调度）
        内存（分配）
        磁盘（文件系统）
  为用户提供接口：
        系统调用（System Call）
        shell命令
  总结：OS=管理资源+提供接口
• 管理的本质:“先描述，再组织”
  描述：用C语言的结构体（如struct）把资源（如进程）的属性记下来
  组织：用链表、红黑树等数据结构把这些结构体串起来，方便管理和查找

3.库函数vs系统调用

二.进程概念

1.什么是进程

• 程序运行起来的实例
• 操作系统通过PCB（进程控制块）管理进程
• linux的PCB就是task_struct

2.PCB包含什么（描述信息）

• 进程ID（PID）
• 程序计数器（PC）
• 寄存器信息
• 内存信息
• 文件描述符
• 状态（运行/阻塞等）
  PCB=进程的“身份证+全部信息“

三.进程控制

1.进程创建

• fork()函数：
  功能：创建一个子进程
  特点：
  ① 调用一次，返回两次
        父进程中返回子进程的PID（>0）
        子进程中返回0
        如果子进程创建失败，父进程返回-1
  ② 写时拷贝：虽然子进程看似复制了父进程的数据，但最初它们共享物理内存。只有当某一方试图修改数据时，系统才会真正分配新内存进行拷贝，这是一种优化技术。
• vfork()函数：
        子进程和父进程共享地址空间
        子进程先执行，直到子进程调用exec或exit退出时，父进程才运行
        风险：容易破坏父进程
• 创建流程：
        · 分配PCB
        · 分配资源
        · 初始化上下文
        · 加入调度队列

2.进程终止

• 正常退出：
  ① exit()：一个库函数，会执行一些清理工作（如刷新缓冲区），然后调用系统调用退出。
  ② _exit()：一个系统调用，直接清理进程，不刷新缓冲区。
• 异常退出：如段错误、指令错误等，通常由信号导致。
• return：在main函数中，return相当于调用exit。

3.进程等待

• 干什么：父进程等待子进程结束，并回收其资源（主要是PCB）
• 如何等待：
        wait：阻塞等待任意一个子进程结束
        waitpid：可以指定等待某个子进程，也可以非阻塞等待

四.进程状态

Linux内核中，进程的状态定义在task_struct的state字段中。

1.Linux的七种进程状态

• R（Running）：进程正在运行或在就绪队列中等待
• S（Sleeping）：可中断睡眠（最常见）
• D（Disk Sleep）：不可中断睡眠（通常在等IO）
• T（Stopped）：被信号暂停（如Ctrl+Z）
• t（Tracing stop）：被调试器暂停
• Z（Zombie）：僵尸进程
• X（Dead）：已死亡（基本看不到）

2.状态转换

3.僵尸进程

• 定义：子进程退出了，但父进程没有调用wait()或waitpid()来获取它的退出状态而变成的一种进程。
• 危害：进程的资源（如内存、文件描述符等）已经释放，但task_struct还存在，占用内核资源，如果产生大量僵尸进程，会导致系统无法创建新进程。
• 解决方法：父进程调用wait()或waitpid()，或捕捉信号 SIGCHLD。

4.孤儿进程

• 定义：父进程先退出，子进程还在运行。
• 处理：孤儿进程会被1号进程（init或systemd）“收养”，由1号进程负责回收它的资源。

5.守护进程

• 定义：长期在后台运行，脱离终端控制，默默提供某种服务的进程。
• 例子：守护进程名称通常以d结尾，例如sshd（负责ssh连接）、httpd（负责Web服务）

五.环境变量

1.概念

用于存储系统或用户配置信息的变量，以键值对形式存在，通常具有全局属性（如PATH、HOME）。

2.相关命令

Bash:
env:查看当前环境变量，或为单次命令临时设置环境
export：将变量“导出”，使其能被后续的子进程继承

3.函数接口

C：
getenv()：获取环境变量的值；
setenv()：设置环境变量；
unsetenv()：删除环境变量；

4.特性

子进程继承父进程的环境变量，本质在用户空间。

六.虚拟地址空间

1.什么是虚拟地址空间

虚拟地址空间是一个mm_struct结构体，是操作系统向进程描述一个完整的、连续的线性地址空间。
进程看到的地址都是“假内存”，而真实的地址由内存管理，给进程营造一种假象，认为自己独占了整块连续的内存。

2.为什么要使用虚拟地址空间

• 提高内存利用率
        通过分页机制，将不连续的物理内存碎片拼凑起来给进程使用，让进程感觉内存是连续的。
        程序没运行到的代码不需要加载到内存，节省空间。

• 增加访问控制
        操作系统可以在页表或段表中设置权限位。例如将代码段设为“只读/可执行”。
        如果程序试图写入代码段（比如病毒注入），CPU会直接拦截并报错（段错误），保护系统安全。

• 实现进程隔离
        每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，互不干扰。
        进程A崩溃不会导致进程B也崩溃，也不会破坏OS内核的数据。

3.如何通过虚拟地址找到物理内存

• 分段式内存管理
        原理：将内存划分为不同的逻辑段，如代码段、数据段、堆栈段。每个段有基地址和界限。
        寻址：逻辑地址 = 段基址 + 偏移量。
        缺点：容易产生外部碎片（内存空隙太多，无法利用）。
• 分页式内存管理
        原理：将虚拟内存和物理内存都切割成固定大小的块（通常为4KB），虚拟的叫“页”，物理的叫“页帧”。
        寻址：通过页表来建立虚拟页号和物理页帧号的映射关系。
        优点：解决了外部碎片问题，内存利用率高。
• 段页式内存管理
        原理：结合上述两者。先分段（逻辑划分），段内再分页（物理管理）。
        流程：逻辑地址 -> 段表 -> 页表 -> 物理地址。

七.程序替换

1.含义

• 概念：用一个新的程序替换进程正在运行的程序。
• 关键点：进程ID不变，原程序数据清空，替换为新程序数据。

2.如何替换

在Linux/Unix系统中，程序替换是通过exec系列函数实现的。

• 常见函数

C：
execl
execlp
execle
execv
l：参数以列表形式传递。
v：参数以指针数组形式传递。
p：可以使用环境变量PATH来查找可执行文件。
e：可以传递新的环境变量。

• 特点：
  不创建新进程
  替换当前进程代码和数据
  PID不变