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硬件，软件和进程

news 来源：原创 2025/5/23 5:19:06

硬件

冯诺依曼体系结构

从控制器发出的都是控制信号，其他的都是数据信号
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存储器

存储器是内存，而我们平常用的磁盘其实是输入输出设备，而不是存储器

输入输出设备（统称外设）

由于计算机只能处理二进制数据，所以我们是无法直接访问内存的，所以我们需要输入输出设备来进行转换。
输入设备：鼠标，键盘，摄像机，话筒，磁盘，网卡等
输出设备：显示器，播放器，磁盘，网卡等

中央处理器（CPU）

包括运算器和控制器
运算器：对我们的数据进行计算任务，包括算数运算和逻辑运算
控制器：对我们的计算硬件流程进行一系列的控制

数据流向

从输入设备输入的数据不能直接送到cpu，而是要经过存储器才能送到cpu，同样的，cpu处理完的数据是不能直接送到输出设备，要经过存储器才能送到输出设备

存储金字塔

存储的容量越大，速度越慢，单价越便宜，离cpu越远，存储的容量越小反之
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这也就是为什么要有存储器的原因，外设和cpu的速度差太大了，需要存储器来协调速度，并行处理数据，内存的速度适中，容量适中。所以我们可以把它看成一个硬件级别的缓存空间，输入设备可以预加载数据，内存可以先读入数据，输出设备同理，并所以整机的速度就是内存的速度了

总线

各个硬件单元必须用线连接起来，cpu和内存之间交互的线叫做系统总线，cpu和外设之间的线叫做io总线

软件

操作系统

操作系统是一款进行管理的软件，操作系统可以通过对硬件和软件进行管理，最终目标是给用户提供一个稳定良好的运行环境，但操作系统不允许任何用户访问核心数据，只提供接口供用户使用
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内核

包括进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理

其他程序

包括函数库，shell程序等等

操作系统的管理

操作系统不直接接触硬件程序，而是通过硬件上层的驱动程序进行管理，先对硬件用struct描述（对象），再组织（用各种数据结构组织起来，所以我们所有的管理动作就转换成了对数据结构的增删查改）

库函数

库函数是我们调用的printf等c，c++函数等高级语言的函数。
系统调用是操作系统提供的接口，库函数是系统调用接口封装后的产物

进程

概念

一个加载到内存的程序就是进程/正在运行中的程序叫做进程
进程=内核PCB数据结构对象+对应的代码和数据

管理

一个操作系统可以同时运行多个进程，所以我们要正常运行操作系统的时候，需要把所有的进程组织起来管理，核心思路也是先描述后组织

PCB

概念

任何一个进程在创建，加载到内存的时候，操作系统要先把相应的代码和数据加载到内存里，再描述进程的结构体对象，这个对象我们叫做process ctrl bar（PCB）–进程控制块，也是进程属性的集合，这样才是真正创建一个进程，通过PCB就可以对代码和数据进行管理，在Linux中的PCB叫做task struct，它被装载到RAM（内存）内，在Linux中最基本的数据组织形式是双向链表，一个PCB可以同时属于某个链表，某个队列，错综复杂

task_struct的内容

标识符：用于区别其他进程

也就是下图的pid
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getpid

谁调用这个函数，getpid会返回这个进程的task_struct里的pid值，pid_t是一个有符号整数,在一个进程里，pid是不变的
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getppid

获得当前进程的父进程的pid
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而且我们多运行几次会发现父进程的pid每次都一样，我们可以看到这个进程是bash，所以我们以后运行的所有进程其实都是bash进程的子进程，但其实在重启xshell的时候，bash进程的pid是会变的

ps

ps ajx | grep process

如果想查看相应属性可以使用以下命令

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep process

如果不想把grep进程也包含进来，可以使用以下的指令,-v表示反向匹配

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep process | grep -v grep

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用以下的指令可以查看所有进程，也可以查看上一张图片的pid文件夹

ls /proc

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这些蓝色的目录其实是包含了进程的大部分属性,我们可以看见process进程的pid为22978，而且我们科打开这个目录

当我们结束进程之后，我们可以看见这个文件不见了

而且我们如果再次运行process的时候，进程的pid大概率是会发生变化的，可以看到下图进程的pid改变了
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cwd(current work dir):当前进程工作目录，在文件中调用fopen的时候，就会在当前路径下查找或者创建文件，原因就是进程在当前的工作目录
exe:链接文件，当前正在运行的进程

其他概念

2.状态：任务状态
3.优先级：相对于其他进程的优先级
4.程序计数器：程序下一条指令的地址
5.内存指针：程序代码和相关数据的指针，还包括其他共享内存块的指针
6.上下文数据：进程执行时寄存器的数据
7.I/O状态信息：包括I/O请求，分配给I/O设备和进程使用的文件列表
8.记账信息：时间周期数总和，也就是某一个进程在CPU上运行多长时间
9.其他信息

创建进程

fork

fork函数可以用来创建进程，创建一个进程后，执行流就会多加一个，

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如上图，在两个printf函数中调用fork，我们会发现fork后面的代码被执行了两次
fork成功了返回子进程的pid给父进程，把0返回给子进程，如果失败了返回值为-1，难道返回值有两个吗？
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我们可以写一个代码运行一下，验证，我们会发现，会同时走if和else if两个分支，而且两个分支里面的死循环在同时跑

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我们可以看到当我们还没开始调用fork()的时候，当前有一个进程，pid为1638，ppid为32519，而fork完后，出现了一个子进程，pid为1639，ppid为1638，和当前进程一起执行，其实是就是出现两个分支，fork给父进程返回大于0，给子进程返回0，父进程子进程同时执行，，一般而言，fork以后的代码父子进程共享，数据不共享，返回不同的返回值是为了区分不同的执行流，让父子进程执行不同的代码块，子进程的task_struct其实是新创建的，但只修改了一部分结构体数据，比如说pid和ppid，而且子进程没有自己的代码，所以子进程和父进程共享代码
1.关于fork为什么能返回两次：走到fork函数里面，函数体创建进程后才会返回值，所以执行返回值的时候，其实已经创建完子进程了，所以才能出现”返回两次“的错觉
2.关于父子进程共享代码，所以一个id里为什么会有两个不同的内容呢：对于父进程的数据，子进程不一定全部访问，所以不能把父进程的数据全部拷贝，子进程如果要访问父进程的数据并修改的时候，操作系统会开一块空间给子进程，所以刚开始父子进程的数据和代码是共享的，到后面才慢慢申请，进行数据层面的写时拷贝
3.关于父子进程谁先运行：是不确定的，只有调度器知道，用户是管不了的

进程状态

操作系统学科里的进程概念：

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运行状态

每一个cpu都有一个struct runqueue（运行队列）,这样就可以把所有需要运行的进程连接起来，每次需要运行进程的时候，直接把head对应的task_struct拿去执行即可，凡是处于运行队列的进程都是运行态，也就是R状态

struct runqueue
{struct task_struct* head;struct task_struct* tail;
};

关于时间片：如果我们写一个while死循环，那我们的这个进程会一直执行吗？答案是不会的，当只有一个cpu的状态下，我们的进程并不是一直占用cpu资源，而是会按照时间片分配cpu资源，每一个进程都有一个时间片，所以最终在一个时间段内，我们所有的进程都会被执行，也就是并发执行，所以cpu上会存在大量的把进程从cpu上拿下来和放上去的动作，也就是进程切换
以上所说的都是对软件做管理，但对于外设也是一样的，都是先描述，后组织

阻塞状态

当我们需要从外设里读取数据，比如说我们使用scanf读取数据，这个进程会链入键盘外设的pcb后，但我们一直没有输入，这个进程就会被阻塞，直到获得了数据，操作系统会把这个进程放入run queue里，才会变成运行状态，当操作系统进程资源严重不足的时候，会把在阻塞状态的进程的代码和数据换到外存，这个进程就变成挂起状态，把需要运行的代码和数据换进来

挂起状态

当我们需要从外设里读取数据，比如说我们使用scanf读取数据，如果我们一直不输入，操作系统的内存却严重不足的时候，操作系统会保留此进程的PCB，然后把进程的代码和数据放到外设中，等需要的时候再载入到内存，省出来的内存就可以给其他进程使用，这就是换入换出，一般挂起进程的都是阻塞的

具体Linux里的状态

正在跑的死循环一定是r状态吗？实则不然

#include<stdio.h>int main()
{while(1){printf("xxxxx\n");                                                                            }return 0;
}

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但是，一定不是r状态吗？其实也有可能的，但我们查到的大部分都是S状态，因为CPU速度太快了

#include<stdio.h>int main()
{while(1);return 0;
}

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实际linux的状态类别

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还有‘t’（tracing stop）和‘Z’（Zombie）状态
S状态：浅度睡眠，随时可以响应外部的反应
D状态：深度睡眠，不相应任何外部的请求，进程不能被杀掉，但如果操作系统里的D状态太多了，就会出问题，如果我们想看一下D状态，可以使用dd命令
挂起状态：我们是感受不到的
T和t状态：暂停状态，gdb调试器就是一个t状态，目前来看T和t状态差不多
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接下来是T状态

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可以看到19号是一个sigstop

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僵尸状态

Z状态：把进程放入垃圾回收站，也就是僵尸进程状态，要让父进程等关心这个进程读取完数据后，才会变成X状态,下图的defunct表示“死亡”，当父进程一直没有主动回收这个子进程信息，子进程会一直让自己处于Z状态，进程的相关资源，特别是task_struct不能被释放，此时就造成内存泄漏问题，可以让父进程用waitpid解决
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危害：
1.进程的退出状态必须一直保持，因为此进程的父进程要知道这个进程的状态
2.维护退出状态意味着要一直维护task_struct
3.造成内存资源的浪费
4.内存泄漏

孤儿状态

当父进程先退出，却没有回收子进程的时候，子进程的父进程会改成一号进程，即我们的操作系统，此时这个进程被称为孤儿进程，称该进程被系统领养

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进程优先级

ps:如果想在vi注释，可以ctrl+v，hjkl选中，shift+i，输入一个//，最后esc
如果想取消，可以ctrl+v，hjkl选中，在输入一个d就可以取消了

ps -l

由于在两台中其中一台使用用ps -l没有办法看到另外一台的进程信息，必须要用ps -al，下图的PRI就是优先级，数值越小越早被执行，NI是进程优先级的修正数据，也叫当前进程的nice值，PRI(new)=PRI(old)+nice，但是NI的范围有限，是-20~19，用户不能过分调整进程优先级
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