《进程概念（1）》

引言：

在认识了Linux的基础开发工具之后，接下来我们接着学习新的Linux知识了，接下来我们就先从进程开始，在学习进程之前，我们需要先有一些前置的知识，这篇文章就先来学习一下冯诺依曼体系结构和操作系统。

一：冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。
下面先给出一张逻辑图：

截至目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成

1. 输入单元：包括键盘、鼠标、扫描仪、写板等。
2. 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等。
3. 输出单元：显示器，打印机、扬声器、耳机等。
4. 存储器：内存、硬盘、固态硬盘、U盘、光盘等

看上面的执行流程图，有的同学可能会有疑问，用户通过输入设备来输入数据，然后交给CPU来处理，再通过输出设备进行输出，内存好像并没有参与啊，那么内存存在的意义是什么呢？其实内存是非常非常重要的，下面通过几个方面来解释：

1. 内存的意义？

（1）体系结构效率问题：

我们要知道这些部分的效率是明显不对等的，输入设备相较于CPU来说是很慢的，而CPU执行速度非常快，如果输入设备（外设）直接跟CPU打交道的话，整体的执行效率就会大打折扣，也就是所谓的木桶效应，因此需要内存来做两者交流的一个中转站，因为数据是可以提前加载到内存里面的，这样就能做到数据的相对等，由之前的输入设备与CPU的交互变为了内存与CPU的交互，使得CPU能够不断地处理数据，而不是等半天才接到一个任务，导致效率低下，比如我们在看电影，刷视频的时候会存在一个白色进度条，这个就是数据提前加载的一个案例，在一定程度上避免的观看时的卡顿，提升了用户的观看体验。

（2）存储分级的问题：

先来看这张图：
注：这里的存储效率可以理解为拷贝的效率。

可以看到在这个金字塔形状的图里，越往上走，这些存储设备的效率越高，但是存储空间越小，也就是说内存之间还存在着存储分级，说到这里有聪明的同学就要说了，既然越往上面的存储设备效率越高，那么都用上面的存储设备不就可以了吗？其实不然，因为越往上面，这些存储设备的成本是很高的，而且存储空间很有限，这样的话计算机怎么可能普及大众呢？普通人肯定消费不起啊，正是因为存储的分级，才使得内存效率得到了平衡，因此内存也就必须存在。

（3）局部性原理：

正是因为局部性原理，使得数据可以提前加载到内存中，因此大部分情况下就可以转换为CPU与内存的交互，因此计算机的效率就以内存为主了。

2. 冯诺依曼的现实意义：

正是由于冯诺依曼体系结构，使得计算机的效率以内存为主，使得用户能够用较低的价格获得一台性能不错的计算机，使得计算机能够得到大范围的普及，从而孵化出了庞大的网络世界。（冯诺依曼体系结构的伟大）

3.小结：

（1）数据层面来看各部分的关系：

1. 在数据层面来看，CPU并不会直接和输入、输出设备（外设）打交道，CPU的读写数据只会和内存进行交互。
2. 考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)(数据层面)
3. 外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

（2）数据流动的本质：

所谓的数据流动，实质上就是数据的拷贝，因此计算机的效率问题也就是由设备的拷贝效率决定的。

（3）我们口中的输入输出是站在谁的角度：

其实，我们口中的输入输出都是站在内存的角度（也可以说是加载到内存中的程序的角度）来说的，比如：IO流。

4. 实例：

（1）C语言程序的执行：

（2）QQ聊天：

二：操作系统(Operator System)

1. 概念：

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

1. 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
2. 其他程序（例如函数库，shell程序等等）
   

2. 设计OS的目的

1. 对下，与硬件交互，管理所有的软硬件资源。
2. 对上，为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境。
   

3. 理解OS系统

（1）先描述，再组织：

这里拿校长、导员、学生之间的关系来说明：
在一个学校里，学生的数量是非常多的，如果让校长直接去管理的话，校长肯定是会被累死的，因此就需要分班级让辅导员、班主任去一级一级地来进行代管理，校长就不需要自己一个人去直接管理这么多的学生了，只需要通过辅导员就可以间接地对全校的学生进行管理。

再回到这里的操作系统，这里的操作系统怎么管理这些系统呢？
肯定是通过数据结构来管理起来的，用什么样的数据结构呢？于是就需要先对这些系统进行描述，接着再将这些系统通过某种数据结构组织起来，这就是先描述，再组织
这是把现实世界中的问题进行计算机建模的核心规律。
这就是为什么C++里会存在类和STL的原因，为了方便我们管理。

（2）OS管理的本质：

(3) 用户是如何管理系统的？

由于确保操作系统的安全性，是不能让用户直接对操作系统进行管理的，下面来通过银行的案例来理解：

用户通过系统调用来管理系统，避免了用户直接接触操作系统，确保了操作系统的安全性。我们在写代码的时候用到的库函数其实就是系统调用的一种封装。

1. 在开发角度，操作系统对外会表现为⼀个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
2. 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

完结！