馮諾依曼體系結構

這里的存盤器是記憶體，一般情況下記憶體不直接與外存打交道，而是通過快取先將輸入/輸出 輸出到暫存器中，再由暫存器與外存做互動，
當代典型的輸入設備：鍵盤、滑鼠、掃描儀、寫板等
輸出設備：顯示幕、列印機等，

馮諾依曼的兩個重要思想

1.所有資料均采用二進制存盤（契合電路，高低電平的特點）
2.資料都保存在存盤器中(記憶體中)

當代計算機的三級快取

三級快取與高速快取(cache)
首先必須明確三級快取均屬于高速快取
一級快取：一級快取通常設定在cpu內部，但是比起暫存器來說還是遠一點，因為其放在cpu內部，所以它的空間是很小的，通常為8-16k
二級快取：二級快取在CPU之外，因為主板上的空間很大，所以二級快取比一級快取大得多，大概是256KB-1MB左右，但是它的速度慢，因為它離CPU比較遠，二級快取通常用作一級快取與記憶體的交換空間
三級快取：其空間更大，但是相應的離cpu也越來越遠，
所以從遠及近看 CPU〈------〉暫存器〈----》快取《-----》記憶體，
快取中的資料是可以提升的？
比如初始情況下，一個資料位于三級快取中，但是因為經常使用，所以它會被提升到二級快取甚至一級快取，這塊很好理解，經常用cpu就讓該資料離它更近點，
為了保證CPU訪問時有較高的命中率，Cache中的內容應該按一定的演算法替換，一種較常用的演算法是“最近最少使用演算法”（LRU演算法），它是將最近一段時間內最少被訪問過的行淘汰出局，因此需要為每行設定一個計數器，LRU演算法是把命中行的計數器清零，其他各行計數器加1，當需要替換時淘汰行計數器計數值最大的資料行出局，這是一種高效、科學的演算法，其計數器清零程序可以把一些頻繁呼叫后再不需要的資料淘汰出Cache，提高Cache的利用率，
LRU為作業系統中提供的演算法，

作業系統

作業系統的概念

作業系統時配置在計算機硬體上的第一層軟體，是對硬體系統的首次擴充，其主要作用是管理好這些設備，提高它們的利用率和系統的吞吐量，并為用戶和應用程式提供一個簡單的介面，便于用戶使用，
硬體：馮諾依曼中的所有設備
軟體:安裝軟體、卸載軟體、升級軟體
在系統層面：檔案、行程、驅動等

作業系統的組成

作業系統=作業系統內核+一堆應用
作業系統內核：代表某種作業系統的代碼的統稱，

作業系統作用

作業系統是管理當前設備的軟硬體資源的軟體，
管理：先描述，再組織，
這塊管理：管理不是像宿管阿姨管理一個宿舍那樣，更像是一個leader(校長)，作業系統具有**“決策權”**，
對上：給用戶一個穩定高效的執行檔案，
對下：管理好軟硬體資源，提供穩定的軟硬體資源，
這里還是以學校舉例：把學生比作硬體的話，那么宿管就相當于是驅動程式，而作業系統位于驅動程式之上，等于說驅動程式只是按照作業系統的命令去做事而已，這便是真正的管理者，作為一個leader，統籌全域，

Linux下的作業系統體系

行程

行程概念

行程：行程是程式的一次執行，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位，

行程特性

1.動態性，由創建而產生，由調度而執行，由撤銷而消亡，
2.并發性，是指多個行程物體同時存在于記憶體中，且能在一段時間內使行程物體和其他行程物體同時執行，(在不同的時間點，交給處理及處理，在同一時間點，任務不會同時進行)，
這塊解釋一下并發與并行區別：
并發性：在一個處理機上，宏觀上有多個行程同時執行的效果，但在微觀上，并不是同時執行，只是把時間分為若干段，（類似于時間片輪轉演算法），使多個行程輪流交替的運行，
并行性：指在同一時刻，多個處理機同時處理不同的任務(行程)，
3.獨立性：行程是一個能獨立運行，獨立獲得資源和獨立接受調度的基本單位，前提：建立PCB情況下，
4.異步性：行程按獨立的，不可預知的速度向前推進，

行程的組成

行程=程式段+資料段+行程控制塊(PCB)（PCB常駐記憶體）

行程與程式區別

1.行程是一個動態的概念，程式是一個靜態的概念，
2.行程具有并發性，而程式沒有
3.行程是資源分配和處理機調度的獨立單位，其并發性受系統制約，
4.一個程式，多次執行，對應多個行程，不同的行程可包含同一組程式，
行程：程式 (1:n)

行程控制塊

PCB定義：作為行程物體的一部分，記錄了作業系統所需的，用于描述行程的當前情況以及管理行程運行的全部資訊，是作業系統中最重要的記錄型資料結構，
PCB的作用是使一個在多道程式環境下不能獨立運行的程式(含資料)稱為一個獨立運行的基本單位，一個能與其他行程并發執行的行程，
作用：
1）PCB標志了程式作為獨立運行基本單位，
2）能實作間斷性運行方式，這很好理解，比如cpu處理行程使的并發性，當在一段時間內A行程的時間片耗盡時，此時需要記錄執行到哪里了(保護現場)，保證了行程下次被分到時間片時的恢復現場，
3）提供了行程管理所需要的資訊，PCB中記錄了程式和資料在記憶體或外存的始址指標，找到對應的程式和資料，總的來說，PCB里面保存著執行資源的地址，
4）提供行程調度所需要的資訊，比如優先級、程式目前的狀態，是在阻塞態還是在S（sleep）狀態，
5）實作與其他行程的同步和通信，比如一個程式被分為多個行程，此時后一個所需的資源依賴于前一個行程執行完畢，這就涉及到了行程的同步與通信了，是有順序的，，要不然你執行你的，我執行我的，這樣的出來的值到底是什么！！
注：PCB里面存盤的程式和資料均是程式和資料的地址，PCB常駐記憶體，

Linux下的底層下的組織

明確Linux作業系統底層

Linux系統是以C語言撰寫的，C語言可以存盤多個物件的資料型別的結構是什么，當然是結構體
檔案=內容+屬性

Linux底層管理行程的結構體(描述)

行程=對應的檔案+行程屬性
struct task_struct
{

}
這個結構體下存了哪些東西：
標示符: 描述本行程的唯一標示符，用來區別其他行程，
狀態: 任務狀態，退出代碼，退出信號等，
優先級: 相對于其他行程的優先級，
程式計數器: 程式中即將被執行的下一條指令的地址，（匯編指令）
記憶體指標: 包括程式代碼和行程相關資料的指標，還有和其他行程共享的記憶體塊的指標
背景關系資料: 行程執行時處理器的暫存器中的資料[休學例子，要加圖CPU，暫存器]，
I／ O狀態資訊: 包括顯示的I/O請求,分配給行程的I／ O設備和被行程使用的檔案串列，
記賬資訊: 可能包括處理器時間總和，使用的時鐘數總和，時間限制，記賬號等，
其他資訊
這個結構體又稱為PCB

從作業系統內核的結構看行程(組織)

前面我們提到過：
管理=描述+組織
描述：前面我們已經給出了描述行程的結構體，那在底層，它是怎么實作組織的？
是通過雙向鏈表的方式，通過增、刪、查、改的操作來實作行程的調度，
行程管理：先描述，再組織
將程式跑起來，就相當于將程式加載入記憶體，將程式輸出可視化，便是將程式加載到顯示幕中，

查看行程命令

ls /proc proc目錄下存盤著當前所運行的行程

行程號

什么是行程號：行程號就相當于是標識行程存在的序號，這個序號是隨機產生的，每次產生的行程的行程號都是不同的，它是用來唯一標識行程的，就像每個人自出生起你的身份證號就固定起來了，（唯一標識：在當前主機），比如說兩個不同的主機，兩個行程號就算相同的話，它也不是同一行程，

通過行程呼叫獲取行程識別符號

getpid()獲取到當前行程的行程號
getppid()獲取的是該行程的父行程的行程號


測驗用例：

基本Linux下的所有命令的父行程都是bash，
bash的運行原理：
通過創建子行程，讓子行程去完成任務， 為什么？因為通過上面可以看到bash也相當于是作業系統的一個行程，所以具有行程獨立性的特點，命令執行基礎是要保證自己是安全的，等于說自己先創建一個子行程去完成命令，就算執行不了，崩掉了，此時根據行程獨立性特點，它也影響不到父行程，因為bash是Linux程式運行的基礎，bash崩了，整個Linux作業系統就崩了，

通過系統呼叫來創建行程fork()命令

fork系統呼叫用于創建一個新行程，稱為子行程，它與行程（稱為系統呼叫fork的行程）同時運行，此行程稱為父行程，創建新的子行程后，兩個行程將執行fork（）系統呼叫之后的下一條指令，子行程使用相同的pc（程式計數器），相同的CPU暫存器，在父行程中使用的相同打開檔案，
頭檔案 :#include<unistd.h>
函式引數:pid_t fork(void);
pid_t 就是int型別
它不需要引數并回傳一個整數值，下面是fork（）回傳的不同值，
負值：創建子行程失敗，
零：回傳到新創建的子行程，
正值：回傳給父行程或呼叫者，該值是新創建的子行程的行程ID ，


fork的一些特性：
回傳值，有三個回傳值，成功時候兩個，失敗時候一個，
成功時：給創建子行程的父行程回傳創建子行程的行程號，給子行程回傳0值，

1.如何理解行程創建

2.fork()為什么會有兩個回傳值？

宣告一點fork()只呼叫了一次
此時父行程創建出來一次的時候會return一次，子行程的資料流也會回傳一次，
由于在復制時復制了 父行程的堆疊段，所以兩個行程都停留在fork函式中，等待回傳.因為fork函式會回傳兩次,一次是在父行程中回傳，另一次是在子行程中回傳，這兩次的回傳值不同. 從fork函式開始以后的代碼父子共享，既父行程要執行這段代碼，子行程也要執行這段代碼.(子行程獲得父行程資料空間，堆和堆疊的副本. 但是父子行程并不共享這些存盤空間部分. 父，子行程共享代碼段.) 現在很多現實并不執行一個父行程資料段，堆和堆疊的完全復制. 而是采用 寫時拷貝技術.這些區域有父子行程共享，而且內核地他們的訪問權限改為只讀的.如果父子行程中任一個試圖修改這些區域,則內核值為修改區域的那塊記憶體制作一個副本, 也就是如果你不修改我們一起用，你修改了之后對應修改的那部分，
就是類似于行程的獨立性，行程間代碼共享，資料私有，此時因為資料要私有一份(資料改變)，所以此時父行程會return 一次（return一次子行程的行程號），子行程return一次，（return 0）；前提是行程創建成功的前提下，

寫時拷貝技術

3.fork()父子的執行順序和代碼和資料的復制問題？

行程資料=代碼+資料
父行程創建子行程時，代碼共享(因為代碼在記憶體中一般為只讀)，資料私有(寫時拷貝)，這也就解釋了上面的fork()為什么會有兩個不同的回傳值，，為什么資料私有呢？是由于行程的特性所決定的，行程具有獨立性，
關于執行順序：當子行程被創建成功時，此時它會被加載到記憶體的運行佇列中，又因為行程的特征具有異步性，(行程以不可預料的結果向前推進)，所以這塊子行程與父行程的執行順序是不確定的，由作業系統中的調度器決定

4.子行程是從fork之前還是fork之后開始運行？***

子行程是從fork()之后開始運行的，
父行程呼叫fork()函式時，其程式計數器中保存的是fork’()之后的下一潭訓編指令，
背景關系資訊：呼叫fork()完畢之后保存的暫存器內容，
此時子行程去拷貝父行程的PCB，所以此時子行程拿到的便是fork之后的代碼，所以子行程的執行是從fork()之后開始的，

Linux下查看行程的ps命令

-A 顯示所有行程（同-e）
-a 顯示當前終端的所有行程
-u 顯示行程的用戶資訊
-o 以用戶自定義形式顯示行程資訊
-f 顯示程式間的關系
-axj 通常可以查看父子間的依賴關系
-aux查看的是當前作業系統的所有資訊

Linux環境下的幾種狀態

R狀態–運行狀態

測驗用例：


首先明確一個概念：R狀態是不是程式一定在運行？

S狀態 --睡眠狀態，可中斷的

為什么這塊要強調一下它是可中斷的睡眠呢？
因為下面還有一個D狀態，是不可中斷的睡眠方式，后面會詳述的，
測驗用例：
可以看到，這里是一直在列印.字符


這里可以看到程式處于S狀態，為什么呢？我不是一直在列印.這個字符嗎？
這是因為cout列印涉及到了I/O，cpu的執行效率是遠遠大于I/O操作的，可以這么說吧，cpu用了1%的時間列印.這個字符，但99%的時間都在等I/O完成，所以雖然是個while(1)回圈，其它的行程也可以照樣執行的原因，這是因為行程的并發性的特性所決定的，它一段時間內不會單單只處理一個行程，

D狀態 —磁盤休眠狀態，

這個不好演示，給大家畫個圖吧，

T狀態–暫停狀態

可以通過發送 SIGSTOP 信號給行程來停止（T）行程，這個被暫停的行程可
以通過發送 SIGCONT 信號讓行程繼續運行，
測驗用例：

命令kill -19 + 行程號（PID） 讓程式暫停執行

可以看到此時程式已經停止了，但程式依然存在于記憶體中， 類似于我們平時按下ctrl+z的操作一樣，這也是為什么不推薦使用該命令的原因，它只是暫停程式，并沒有終止程式
那怎么恢復呢？
kill -18 + 行程號（PID）

X狀態 --死亡狀態

一般來說我們是看不到死亡行程的，死亡行程會被立即置換出記憶體，這個程序是及其短暫的，所以很難追蹤到，

孤兒行程

孤兒行程的概念，

父行程先退出，子行程就稱之為“孤兒行程”
孤兒行程被1號systemed行程領養，當然要有systemed行程回收嘍，

孤兒行程的產生條件

父行程先于子行程退出，子行程進入一個死回圈，這樣這個行程就變為了一個孤兒行程，
測驗用例：

此時看現象：



這里解釋一下為什么在孤兒行程的情況下仍可以運行bash命令列解釋器？

Z狀態，僵尸行程***

僵尸行程的概念：
1.僵死狀態（Zombies）是一個比較特殊的狀態，當行程退出并且父行程（使
沒有讀取到子行程退出的回傳代碼時就會產生僵死(尸)行程
2.僵死行程會以終止狀態保持在行程表中，并且會一直在等待父行程讀取退出狀態代碼，
3.所以，只要子行程退出，父行程還在運行，但父行程沒有讀取子行程狀態，子行程進入Z狀態
測驗用例：

僵尸行程的危害？

1.行程的退出狀態必須被維持下去，因為他要告訴關心它的行程（父行程），你交給我的任務，我辦的怎么樣了，可父行程如果一直不讀取，那子行程就一直處于Z狀態？是的！
2.維護退出狀態本身就是要用資料維護，也屬于行程基本資訊，所以保存在task_struct(PCB)中，換句話說， Z狀態一直不退出， PCB一直都要維護？是的！
3.那一個父行程創建了很多子行程，就是不回收，是不是就會造成記憶體資源的浪費？是的！因為資料結構物件本身就要占用記憶體，想想C中定義一個結構體變數（物件），是要在記憶體的某個位置進行開辟空間！便會造成記憶體泄漏

為什么要提出僵尸行程的概念

保存行程的基本退出原因，方便父行程讀取，獲取退出原因，
行程死亡的話，作業系統通過系統呼叫來分析行程結束完后的基本資訊，（1.是否正常運行完？2.是否例外？例外的原因）
讓行程退出之時，不要立即釋放資源，而是把資源維持一段時間去供作業系統進行讀取，

解決方案

1.重啟作業系統（眾所周知，重啟可以解決計算機90%的問題）–不推薦
2.干掉父行程，這樣行程成功由僵尸行程轉化為孤兒行程，它就會被1號行程所領養，最后回收資源，（重點）
3.行程等待，

為什么會產生僵尸行程？

父行程創建一個子行程，子行程相對于父行程來說提前退出，子行程在退出的時候會向父行程發送一個信號(SIGCHLD),而父行程對于該信號是忽略處理的，導致子行程在退出時，沒有行程來回收子行程的資源(PCB),子行程就變為了僵尸行程，

解釋一下什么是前臺程式和后臺程式

一般來說比如行程狀態后有‘+’符號的號，就是前臺程式，沒有的話就是后臺程式，怎么理解前臺程式和后臺程式呢？
比如你今天電腦中開了許多的app，比如qq、網易云、微信等程式，此時你正在網易云里面看視頻（MV），那此時網易云便是你的前臺程式，qq、微信，不是不運行了，而是由前臺程式變為了后臺程式，
在linux’系統中，一般可以用ctrl+c終止的程式稱為前臺程式，不能的稱為后臺程式，孤兒行程中的父行程就相當于前臺程式(在執行完后，等待子行程結束的時候)，
怎么去讓一個程式變為后臺運行
./可執行程式名 &

環境變數–重點

什么是環境變數

環境變數(environment variables)一般是指在作業系統中用來指定作業系統運行環境的一些引數如：我們在撰寫C/C++代碼的時候，在鏈接的時候，從來不知道我們的所鏈接的動態靜態庫在哪里，但是照樣可以鏈接成功，生成可執行程式，原因就是有相關環境變數幫助編譯器進行查找，環境變數通常具有某些特殊用途，還有在系統當中通常具有全域特性
本質:就是將命令的可執行程式的路徑保存起來，

環境變數的分類

系統級的

存在所有的環境變數，對所有用戶都需要加載
/etc/bashrc ，一般不要對該檔案下的內容進行修改，

用戶級的

兩個檔案 ~./ bashrc
~./ bash_profile

使用echo查看環境變數內容

可以看到這就是PATH環境變數下存盤的內容，一般存盤的是可執行程式的路徑，

常見的環境變數

PATH：指定可執行程式的搜索路徑 --重點
測驗用例：
比如ls命令


總結：在不指定路徑的情況下，在命令列輸入一個命令，他會在PATH所存盤的路徑中依次查找，查找到就執行該可執行程式，查找不到就會報錯，這也解釋了為什么在當前目錄下生成的可執行檔案為什么要加上./才能執行，因為就告訴編譯器我是在執行當前目錄下可執行檔案
HOME :指定用戶的主作業目錄(即用戶登錄到LInux上時，默認的目錄)
SHELL：當前的shell，通常是/bin/bash

查看所有的環境變數env命令

修改環境變數

臨時修改 使用命令

export +環境變數名稱=$環境變數名稱:新的路徑
$環境變數名稱：為了保留之前的環境變數，類似于在之前環境變數的基礎上添加，而不是直接修改
臨時修改的特性：只在該系統使用時有效，重啟后失效，
測驗用例：

永久修改 --用戶級別的（針對當前用戶）

vim ./.bash_profile

source ~/.bash_profile 是讓主機重新讀取環境變數

這里看到運行成功了

環境變數的加載順序

先加載系統級的環境變數 /etc/bashrc
再加載用戶級中的 ~/.bashrc
最后是 ~/.bash_profile

環境變數的組織格式

環境變數在底層是以指標陣列存盤的，每個指標指向一個環境變數，以NULL值作為結束標志，
底層是char*envp[] 指標陣列，每個指標指向存盤的一份環境變數，

main()函式的幾大引數

int main(int argc,charargv[],charenvp[]);
argc 為命令列引數的個數，本質上是argv的元素個數，默認情況為1，輸出的是該程式的名字，
argv 為命令列引數
envp為環境變數

測驗用例：

通過第三方變數environ獲取

獲取整個環境變數

獲取特定環境變數和修改環境變數

getenv

頭檔案#include<stdlib.h>
函式原型：char* getenv(const char*name);
name為需要查找環境變數的名稱，

putenv()函式

頭檔案 #include<stdlib.h>
函式原型 int putenv(char*string)
回傳值 修改成功回傳0 ，失敗回傳非0值
例子：不截圖了

呼叫putenv去修改PATH
int ret=putenv("PATH=/usr/bin");
if(ret==0)
{
  cout<<"success"<<endl;
}
else
{
 cout<<"change failed"<<endl;
}

行程優先級

區分一下優先級與權限的問題

優先級：cpu資源的分配順序，就是行程的優先級，
優先權高的具有優先被cpu’先執行的權力， 這很好理解，就像一個醫院中來了一個感冒的病人和一個出了車禍的病人一樣的，醫生不會說因為你先到就給你先看完再去處理出車禍的病人，
Linux作業系統為搶占式的作業系統，
那這里就有人會想了，既然為搶占式作業系統，那是不是優先級低的一直得不到cpu調度？
首先，優先級不是一成不變的，在Linux內部，一個任務的優先級是會隨著時間的推移漸漸增長的，所以確保了那些優先級低的也有將來某一天被cpu調度的可能，

權限：強調的是一個任務能不能被操作，

查看系統行程的優先級數

ps -l 采取詳細的格式來顯示行程狀況
ps -al 顯示所有終端機下執行的程式，除了階段作業領導者之外 ，并顯示他們的詳細的格式，

PRI與NI

PRI也還是比較好理解的，即行程的優先級，或者通俗點說就是程式被CPU執行的先后順序，此值越小行程的優先級別越高
那NI呢?就是我們所要說的nice值了，其表示行程可被執行的優先級的修正數值PRI值越小越快被執行，那么加入nice值后，將會使得PRI變為： PRI(new)=PRI(old)+nice
這樣，當nice值為負值的時候，那么該程式將會優先級值將變小，即其優先級會變高，則其越快被執行所以，調整行程優先級，在Linux下，就是調整行程nice值，nice其取值范圍是-20至19，一共40個級別，
注：PRI的值不可直接修改，只可以通過修改其nice值達到修改PRI的目的，

修改行程的PRI

這里只介紹一種最簡單的，就是top命令，進入Linux 下的任務管理器，進入后按下r，接著輸入行程pid(行程號) 接著輸入修正Nice值，
必須在root權限下進行，普通用戶無法修改PRI，
步驟：

記錄z_fork()的pid，修改時候要用

按下r

輸入行程pid完成后

我們將NI設為-19，看結果圖

可以看到行程的優先級已經由80變為61了，

行程優先級的一些注意

1.一般情況下不要去修改行程的優先級，專業人干專業事，作業系統有自己的調度策略，所以非必要情況下不要去修改，
2.行程的優先級初始化PRI都是80，NI 都是0，我們只可以通過修改NI的方式達到修改PRI的目的，
3.行程優先級是可以提升的，這里的提升不是說用戶去提升它，而是作業系統對駐留在記憶體中的作業的優先級提升，一般隨時間線性化增長，
4.行程的優先級數值越大，優先級越低，
5，行程PRI的取值范圍，首先看一下NICE的取值范圍[-20,19]，所以PRI的取值范圍為[60,99];

行程狀態轉換問題

在Linux’系統下

結語

希望大家多多支持，若博客有什么問題請大家不吝賜教，有博客中不懂的問題可以在評論區給出，我會盡我所能的一個一個給大家回答，本次博客我們進入到了系統編程中了，這只是一個開篇，后序的我會堅持更新，感謝訪問！！