馮諾提曼體系

馮諾依曼體系結構：
我們常見的計算機，如筆記本，我們不常見的計算機，如服務器，大部分都遵守馮諾依曼體系，

我們的計算機都是由硬體構成：
輸入設備：鍵盤，滑鼠，寫字板等
處理器（CPU）：含有運算器和控制器等
輸出單元：顯示幕，列印機等，
關于馮諾依曼強調幾點：
存盤器其實指的就是記憶體，
CPU只能對記憶體進行讀寫，不能訪問其他的外設設備，
外設想獲取資料，也只能從記憶體中獲取，
所以，所有的設備都只能和記憶體打交道，

此外，越靠近CPU，存盤的效率越高，單價就越高，所以他的容量一般就很小，
以為CPU的執行效率比硬體快得多，所以記憶體和外設設備可以被充當做緩沖區，計算機的運行速度取決于效率低的一方，也就是木桶效應，

一、作業系統

概念

作業系統是一個基本的程式集合，成為作業系統（OS），作業系統包括：
內核（行程管理，記憶體管理，檔案管理，驅動管理）
其他程式（例如函式庫，shell程式等等）

設計OS的目的

與硬體互動，管理硬體資源
與軟體應用程式互動，為用戶提供好的環境，

定位

作業系統是一個搞管理的軟體

管理的六個字：

先描述再組織，

作業系統管理的方式是：
先描述：用struct描述出來，
在組織：用鏈表或者其他高效的資料結構，

二、行程

在描述行程之前，用上面的話說管理行程就是先把它描述出來，再組織

概念

基本概念：一個正在運行的物體，正在執行的程式，
內核概念：擔當分配資源的物體（占用記憶體，CPU時間），

描述行程-PCB

行程資訊被放在一個叫做行程控制塊的資料結構中，可以理解為行程屬性的集合，
課本上稱之為PCB（process control block），Linux作業系統下的PCB是: task_struct

task_struct是PCB的一種，這種資料結構會被裝載到記憶體中并且包含著記憶體的資訊，

task_ struct內容分類

標示符: 描述本行程的唯一標示符，用來區別其他行程，Pid，PPid，

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，

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

組織行程

可以在內核源代碼里找到它，所有運行在系統里的行程都以task_struct鏈表的形式存在內核里，

三、查看行程

第一種方式：行程的資訊可以通過 /proc 系統檔案夾查看

在這些數字中可找到正在運行行程的行程號，

第二種方式：通過ps aux | grep mybin | grep -v grep查找正在運行的行程

fork創建子行程

行程id（PID）
父行程id（PPID）

輸出結果：

從上可以看出fork()之后會再生成一個行程bash是原始行程的父行程，fork之后生成的是子行程，

fork會有兩個回傳值，一個是父行程的回傳值，回傳子行程的pid，還有一個是子行程的回傳值0，
這里就有幾個問題：
1.如何理解行程創建？

創建行程，系統就多了一組管理行程的資料結構和該行程的代碼和資料，
父子行程資料是各自私有的，但代碼共用一份，采用寫時拷貝，可節省系統的空間，

2.fork為什么會有兩個回傳值，如何理解呢？

因為fork函式執行有return函式，存在回傳值，父行程會執行return，子行程也會執行，

3.fork父子執行順序和代碼和資料復制的問題，

行程資料=代碼+資料
父行程創建子行程的時候，代碼是共享的，但資料各自私有一份（寫時拷貝）

代碼是邏輯，一般是不可修改的
而資料可讀可寫，
當父行程fork創建子行程完畢，剩下的代碼誰先運行，這個不確定，由系統調度器決定，

4.為什么父行程回傳的是子行程pid，子行程回傳的是0，

具體的作業系統實作會有所不同，

行程狀態查看

為了弄明白正在運行的行程是什么意思，我們需要知道行程的不同狀態，一個行程可以有幾個狀態（在
Linux內核里，行程有時候也叫做任務），
下面的狀態在kernel源代碼里定義：

/*
* 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 */
};

行程狀態：

R運行狀態（running）: 并不意味著行程一定在運行中，它表明行程要么是在運行中要么在運行佇列里，

S睡眠狀態（sleeping): 意味著行程在等待事件完成（這里的睡眠有時候也叫做可中斷睡眠（interruptible sleep）），

D磁盤休眠狀態（Disk sleep）有時候也叫不可中斷睡眠狀態（uninterruptible sleep），在這個狀態的行程通常會等待IO的結束，該狀態無法被作業系統殺掉，也是深度睡眠狀態，

T停止狀態（stopped）： 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，

X死亡狀態（dead）：這個狀態只是一個回傳狀態，你不會在任務串列里看到這個狀態，

ps aux 或者 ps axj 命令

這里就有一個面試題，狀態是R的行程他一定在CPU上面跑嗎？

這個不一定，
下圖為行程在記憶體中的佇列，

佇列有幾種不同的狀態，分別是運行佇列，等待佇列，阻塞佇列，而處于R狀態的行程是要么在運行中，要么在等待佇列中，

Z(zombie)-僵尸行程
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（使用wait()系統呼叫，）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，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，

測驗代碼：

僵尸行程危害

??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！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！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！造成記憶體泄漏，

為什么會有僵尸狀態？

因為僵尸狀態的時候，task_struct會被保留，以便于父行程獲得退出原因，然后再將它回收，

Linux中echo $? 會獲得最近一個退出行程的退出碼，

孤兒行程

父行程如果提前退出，那么子行程后退出，進入Z之后，那該如何處理呢？

父行程先退出，子行程就稱之為“孤兒行程”

如果沒有行程將它領養，將會造成記憶體泄漏，

孤兒行程被1號systemd行程領養，要有systemd行程回收，

四、行程優先級

cpu資源分配的先后順序，就是指行程的優先權（priority），

優先權高的行程有優先執行權利，配置行程優先權對多任務環境的linux很有用，可以改善系統性能，

還可以把行程運行到指定的CPU上，這樣一來，把不重要的行程安排到某個CPU，可以大大改善系統整體性能，

查看系統行程

UID : 代表執行者的身份
PID : 代表這個行程的代號
PPID ：代表這個行程是由哪個行程發展衍生而來的，亦即父行程的代號
PRI ：代表這個行程可被執行的優先級，其值越小越早被執行
NI ：代表這個行程的nice值

PRI and 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

需要強調一點的是，行程的nice值不是行程的優先級，他們不是一個概念，但是行程nice值會影響到行程的優先級變化，可以理解nice值是行程優先級的修正修正資料，

正常情況下，PRI默認值為80，Nice默認值為20，它的取值范圍是[-20,19],一共40個級別，

查看行程優先級

用top命令更改已存在行程的nice

top
進入top后按“r”–>輸入行程PID–>輸入nice值

因為系統默認的優先級是合理的，除非特殊情況下，行程優先級不修改，

其他概念

競爭性: 系統行程數目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個，所以行程之間是具有競爭屬性的，為了高效完成任務，更合理競爭相關資源，便具有了優先級，

獨立性: 多行程運行，需要獨享各種資源，多行程運行期間互不干擾，

并行: 多個行程在多個CPU下分別，同時進行運行，這稱之為并行，

并發: 多個行程在一個CPU下采用行程切換的方式，在一段時間之內，讓多個行程都得以推進，稱之為并發，

五、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，

如何理解環境變數？

當我們執行一個行程的時候，在硬體上，會把該行程的從硬碟上加載到記憶體；在軟體上，作業系統會為他創建一個task_struct，
正常情況下運行一個程式或命令需要帶上路徑，

而ls有它的默認查找路徑！PATH環境變數當中，

常見環境變數

PATH : 指定命令的搜索路徑

HOME : 指定用戶的主作業目錄(即用戶登陸到Linux系統中時,默認的目錄)

SHELL : 當前Shell,它的值通常是/bin/bash，

查看環境變數

echo $NAME //NAME:你的環境變數名稱

測驗PATH

匯入/usr/bin可直接使用nice行程指令，

這種不推薦，會污染環境變數，

還有一種將當前路徑匯入環境變數，這種不污染，

測驗HOME

用root和普通用戶，分別執行 echo $HOME ,對比差異
. 執行 cd ~; pwd ,對應 ~ 和 HOME 的關系

相關命令

1. echo: 顯示某個環境變數值
2. export: 設定一個新的環境變數
3. env: 顯示所有環境變數
4. unset: 清除環境變數
5. set: 顯示本地定義的shell變數和環境變數

組織方式

每個程式都會收到一張環境表，環境表是一個字符指標陣列，每個指標指向一個以’\0’結尾的環境字串

SHELL

是什么？系統中的某些具有一定全域性質的變數，通常是為了滿足某些系統需求，
為什么？系統的全域變數是為了方便用戶，開發者，系統進行某種最簡單化的查找，定位，確認等等問題，
怎么辦？命令列，env，export，PATH，SHELL，HOME，

語言操作環境變數

六、程式地址空間

我們寫代碼以及運行記憶體如下圖所示，

我們先用一段代碼來測驗一下：

運行后地址如下：

再來段代碼感受一下，


我們發現，父子行程，輸出地址是一致的，但是變數內容不一樣！能得出如下結論:
變數內容不一樣,所以父子行程輸出的變數絕對不是同一個變數
但地址值是一樣的，說明，該地址絕對不是物理地址！
在Linux地址下，這種地址叫做 虛擬地址
我們在用C/C++語言所看到的地址，全部都是虛擬地址！物理地址，用戶一概看不到，由OS統一管理

這里就有一個問題：程式地址空間是記憶體嗎？

實際上，地址空間它不是物理記憶體，它是虛擬地址，
父子行程訪問的資料，被保存到了不同物理記憶體中，

行程地址空間

我們的行程所占用的是虛擬記憶體，虛擬記憶體先映射到頁表上，然后再由頁表去映射到物理記憶體中，

什么是地址空間？為什么？

當我們使用的地址違法時，物理地址無法識別，可能就寫壞了別人的空間或資料，