Linux修炼：进程概念（上）
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目录
1、冯诺依曼体系
1.1、冯诺依曼体系的概念
1.2、核心组成部分
1.3、工作原理
1.4、主要特点
2、操作系统
3、进程
3.1、什么是进程
3.2、 task_struct
3.3、进程深入理解
1、冯诺依曼体系
1.1、冯诺依曼体系的概念
冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）是由美籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼在1945年提出的计算机系统设计框架。这一体系结构奠定了现代计算机的基本设计模式，至今仍被广泛采用。
1.2、核心组成部分
冯诺依曼体系主要包括五个核心部分：
- 运算器（ALU）：负责算术和逻辑运算。
- 控制器（Control Unit）：协调计算机各部件的工作。
- 存储器（Memory）：存储程序和数据。
- 输入设备（Input Device）：接收外部数据或指令。
- 输出设备（Output Device）：将计算结果反馈给用户。
我们分别来介绍一下这几个部分。
输入设备包括键盘，鼠标，摄像头，磁盘网卡...输出设备包括显示器，印象，磁盘，网卡，打印机。磁盘网卡既可以是输入设备也可以是输出设备。存储器包括主存储器和辅助存储器，主存储器是内存，直接与CPU交互，辅助存储器长期保存数据，一般是硬盘和SSD。
我们的CPU只和存储器打交道，他不会直接和输出和输出设备打交道。因为CPU的速度是非常快的，输出和输入设备都很慢。内存的本质就是外设和CPU的缓存，计算机的效率以内存的速度为主。
距离CPU越远，速度越慢效率越低，但是存储单元成本更低，距离CPU越近，存储单元成本越贵。
我们之前提到的IO，本质上就是外设和内存进行数据交换。所以说IO的速度很慢，这也就解释了B树的其中一个意义。大量数据的查找，我们可以利用B树减少IO的次数，从而提高效率。数据交换的本质其实就是拷贝。
我们编程处理的范围，就是从键盘，输入数据到存储器，存储器交给CPU计算，计算完之后把数据输出到输出设备。
1.3、工作原理
冯诺依曼体系的核心思想是“存储程序控制”：
- 程序和数据以二进制形式存储在同一个存储器中。
- 控制器按顺序从存储器中读取指令并执行，通过运算器处理数据。
- 输入输出设备与外部交互，完成信息传递。
1.4、主要特点
- 二进制编码：指令和数据均以二进制形式表示。
- 顺序执行：指令按存储在内存中的顺序依次执行（可通过跳转指令改变流程）。
- 存储程序：程序可像数据一样修改，实现灵活的控制逻辑。
尽管现代计算机在性能、并行化等方面大幅改进，但基本仍遵循冯诺依曼体系。后续发展如哈佛架构（分离指令与数据存储）等变体，也在特定领域（如嵌入式系统）中得到应用。
2、操作系统
操作系统是一款软硬件资源管理的软件。它是计算机系统的核心，负责协调硬件、软件及用户之间的交互。
之前我们简单介绍过操作系统，现在我们再深入理解一点点。
我们广义操作系统指管理计算机硬件与软件资源的系统软件，不仅包括传统操作系统内核，还涵盖中间件、运行时环境、虚拟化平台等扩展组件。其核心目标是提供统一的资源抽象和管理机制，支持多样化应用场景。而狭义的操作系统仅仅指的是操作系统内核。接下来我们提到的操作系统，都指的是狭义的操作系统。 
以上是一个较完整的计算机组成体系。软硬件体系本质是层状的。底层硬件部分值得就是我们的冯诺依曼体系。往上走首先是驱动程序。驱动大家都不陌生，我们windows系统设置里面能找到键盘驱动，鼠标驱动等的设置。我们想要使用一个输入/输出硬件，就需要有对应的驱动和他匹配。当然了，一些重要的驱动程序电脑都是自带的，我们不需要手动安装。
再往上走，就是操作系统。操作系统的主要功能就是图中的内存管理，进程管理，文件管理，驱动管理。操作系统的存在就是为了给用户提供一个良好的稳定的运行环境。
操作系统对于数据的管理，都是先描述，再组织，这种思想就像我们之前学过的C++或者其他语言中的类一样，面向对象的思想把数据分块，然后用stl容器把数据都组织起来。 操作系统的内部存在大量的数据结构，数据结构中存储着“描述”好的一块块数据。
接下来我们看一下用户部分。用户想使用操作系统，需要通过系统调用，也就是system call。但是用户直接使用系统调用太难了，所以说再往上又设计了一层用户操作接口（抽象接口层），比如Shell外壳程序，编程语言中的各种库。用户通过指令，语言，调用用户操作接口，用户操作结构再去调用系统，实现对操作系统的使用。
再往上，就是由各种语言编写的各种APP，像什么抖音，快手之类的。
操作系统是计算机功能的基石，直接影响性能、安全性和用户体验。它抽象了硬件复杂性，使开发者能专注于应用逻辑，同时为多任务、多用户环境提供支持。
3、进程
3.1、什么是进程
进程是操作系统分配资源的基本单位，由程序代码、相关数据和进程控制块（PCB）组成。PCB是内核维护的关键数据结构，用于存储进程的元信息和控制信息，包括进程标识符（PID）、内存地址空间、寄存器状态、打开文件列表等。
当可执行程序被加载到内存时，操作系统会为其创建对应的PCB。PCB与内存中的代码段、数据段共同构成完整的进程实体。PCB作为进程存在的唯一标识，使操作系统能够有效地管理和调度多个并发执行的进程。
进程与程序的区别在于动态性：程序是静态的指令集合，而进程是程序在特定数据集上的动态执行过程，具有生命周期和状态变化。操作系统通过PCB实现进程的创建、切换、通信和终止等核心功能。
3.2、 task_struct
上面我们的进程控制块是对于操作系统理论来说的，而task_struct是进程控制块在Linux系统中的具体实现。
task_struct中包含了以下信息：
标识符：描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程
状态：任务状态，退出代码，退出信号等
优先级：相对于其他进程的优先级。
程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针。
上下文数据：进程执行是处理器的寄存器中的数据。
IO状态信息：显式的IO请求，分配给进程的IO设备和被进程使用的文件列表。
记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号登。
进程在被执行的过程中，是要被切换，调度的。在这个过程中要进行硬件上下文的保存与恢复，也就是得把寄存器中的内容保存和恢复。我们可以这样简单理解一下，程序执行的时候，数据到保存寄存器中经过一系列处理，程序执行完毕要从寄存器中取出数据。
3.3、进程深入理解
我们在Linux系统中，可以用getpid获得进程的唯一标识符（pid），我们来操作一下：
首先在文件中写入这样一串代码：
先说一下这个程序，我们首先让他把进程的pid打印出来，同时呢我们不能让这个进程结束，为了方便以后观察，所以直接把他写成了死循环。
我们可以查看proc这个目录来获得当前的进程。
需要注意，每次我们执行同一个可执行文件，他的pid大概率是不一样的。
我们也可以直接查pid，看看这个进程是否存在。其实，每出现一个进程，在proc这个目录中就出现一个以某个数字为名的文件夹。
我们可以查看进程的当前工作路径：
我们可以手动修改这个工作路径：
我们可以根据以下命令看pid:
ps axj | head -1 && ps axj | grep " "双引号中写我们可执行文件的名字。或者不写双引号，写pid。
其中grep也是一个进程，他在过滤的时候把自己也过滤出来了。 如果我们不想显式这个grep我们可以执行以下命令：
ps axj | head -1 && ps axj | grep " " | grep -v grep
#反向匹配每个进程都有父进程，我们同样可以通过打印来看到ppid：
我们重新启动一下code.exe，发现无论启动几次，他的父进程是不变的。 因为这个父进程是bash。
所有的进程启动都是要有父进程的，我们在启动命令、程序的时候，都会变成进程，并且该进程的父进程都是bash。
接下来我们说一下如何创建子进程。
我们可以使用fork创建子进程：
在fork之后，我们创建出了另一个进程（像细胞分裂一样），所以说我们第二条打印语句打印了两次。fork创建出来的是子进程，我们可以观察到，他的父进程是我们原来的进程。
fork其实是有返回值的，当fork成功之后，fork会返回给父进程（我们原来的进程）子进程pid，然后给子进程返回0。返回0是子进程创建成功的标志。我们可以打印看一下：
子进程是怎么被创建的呢？首先，子进程会依照父进程的task_struct为模板，初始化出自己的task_struck。但是这个新创建出来的task_struct并没有属于自己的代码和数据。他的代码和数据是和父进程共享的（大概这么理解）。
好了，今天的内容就分享到这，我们下期再见！