1.冯诺依曼操作系统

结构	常见实体（硬件）
1. 输入设备	键盘、鼠标、麦克风、摄像头、扫描仪
2. 输出设备	显示器、音箱、打印机、投影仪
3. 存储器	内存条（RAM）、ROM、Cache（高速缓存）
4. 运算器	CPU 中的 ALU（算术逻辑单元）
5. 控制器	CPU 中的控制单元（CU）

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2.操作系统

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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）

作用

• **先描述：**把要管理的东西弄成一个可以描述、量化 的 某种数据结构，可能是结构体
  • 例如：Linux 内核用 task_struct 描述进程，记录 PID、进程状态、调度信息等。
• **再组织：**用链表、队列、哈希表等结构，把上面的结构体串起来，
• **最后管理：**增删查改、调度。

描述是建立对象的信息模型，组织是建立对象之间的管理关系，管理则是对资源进行实际操作。

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3.进程

进程 = 内核数据结构(task_struct) + 程序的代码和数据

描述

描述：把要管理的东西弄成一个可以描述、量化 的 某种数据结构，可能是结构体

• PCB（process control block）：所有操作系统都会有的，一种用来控制进程的 数据结构 ，可以理解为进程属性的集合。
• task_ struct：Linux中的PCB。里面有各种各样的东西：pid：进程 ID；uid/gid：用户、组 ID等等

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组织

多个task_struct连起来，形成一个双链表

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获取PID

• pid：进程 ID
• ppid：父进程 ID

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    printf("pid: %d\n", getpid());
    printf("ppid: %d\n", getppid());
    return 0;
}

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僵尸进程

• 进程状态是Z状态
• 原因
  • 子进程先退出，父进程还活着，但没调用 wait/waitpid 收它的退出信息。
  • 子进程的 task_struct（PCB）不会被内核删掉，就变成僵尸进程。
  • 它已经不跑代码、不占 CPU，只留一条进程记录放退出码，等父进程读取。
• 危害：
  • 僵尸的 PCB 占内核进程表，大量僵尸会耗尽 pid 资源。
• 解决：
  • 父进程 wait 回收；或者父进程先退出，子进程被 init 收养，init 会自动回收。

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孤儿进程

• 父进程先退出了，子进程还在运行，这个子进程就是孤儿进程
• 孤儿进程会自动被 init 进程（pid=1） 收养，init 变成它的新父进程
  • 等孤儿进程结束的时候，init 会自动调用 wait 帮它回收，不会变成僵尸进程

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4.进程调度

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进程优先级

在linux或者unix系统中，用ps -l命令则会类似输出以下⼏个内容：

• 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(new)=PRI(old)+nice
  • 当nice值为负值的时候，PRI将变小，即 优先级会变高，则其越快被执行
  • 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。
  • ⽤top命令可以更改已存在进程的nice

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竞争、独立、并行、并发

• 进程有优先级，因为CPU资源少，为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级
• 独立性：多进程运行， 运行期间互不干扰
• 并行：多个进程在多个 CPU 下分别，同时进行运行，这称之为并行
• 并发：多个进程在一个 CPU 下采用进程切换的方式，CPU来回切换进程，让多个进程都得以推进，称之为并发

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进程切换

进程切换，就是CPU换一个进程来运行。

比如从A切到B：

1. 保存A“执行到哪了、正在用哪些数据”。
2. 恢复B上次保存的状态。
3. B接着上次停下的地方继续运行。

这些需要保存的状态，就叫上下文，主要放在CPU寄存器里。

像做题做到一半，夹好书签，再换另一本书；回来时按书签继续。

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5.环境变量

是什么

• 一些参数，程序跑的时候能拿来参考

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 (即用户登陆到 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

echo $NAME //NAME:你的环境变量名称

getenv

• 头文件：#include <stdlib.h>
• 原型：char *getenv(const char *name);
• 作用：C 程序里读取环境变量，相当于代码版 echo $xxx
• 返回：找到 → 返回值字符串指针；找不到 → 返回NULL

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    char *path = getenv("PATH");
    if(path) printf("%s\n", path);
    return 0;
}

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6.程序地址空间

之前学的

• 之前学的：（如图，实际上并不是这样，这是）

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为什么是虚拟地址空间

地址一样

• 运行如下代码，输出出来的变量值和地址是⼀模⼀样的
• 因为子进程按照父进程为模版，子并没有对变量进行进行任何修改。

#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
        printf("child[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }else{ //parent
        printf("parent[%d]: %d : %p\n", getpid(), g_val, &g_val);
    }
    sleep(1);
    return 0;
}

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内容不一样

稍微改一下代码，变成下面这样，运行后就会发现我们发现：父子进程，输出地址是⼀致的，但是变量内容不⼀样！

说明，是虚拟地址！

#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;
}

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进程地址空间

• 实际上的地址空间是这样的：如图
• 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！

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虚拟内存管理

• 进程的task_struct 结构中，有一个指针，指向一个特殊的结构体，结构体是mm_struct（内存描述符）。
• mm_struct用来描述用户空间
• 那么每⼀个进程都会有自己独立的 mm_struct（先描述），操作系统肯定是要将这么多进程的 mm_struct组织起来的！（再组织）
  • 具体怎么组织，可能用单链表，可能用红黑树

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