【Linux學習筆記】初識馮諾依曼體系和進程PCB

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前言

哈嘍，各位小伙伴大家好!上期我們講了gdb和cgdb 今天我們講的是初識馮諾依曼體系和進程PCB。話不多說，我們進入正題！向大廠沖鋒！

一. 馮諾依曼體系結構

我們常見的計算機，如筆記本，以及不常見的計算機，如服務器，大部分都遵守馮諾依曼體系。計算機由以下硬件組件組成：

• 輸入單元：包括鍵盤、鼠標、掃描儀、寫字板等
• 中央處理器(CPU)：含有運算器和控制器等
• 輸出單元：顯示器、打印機等

1.1 關于馮諾依曼體系的要點：

• 存儲器指的是內存
• CPU只能對內存進行讀寫，不能直接訪問外設（輸入或輸出設備）
• 外設要輸入或輸出數據，只能通過內存進行交互
• 所有設備都只能直接和內存打交道

關于馮諾依曼，必須強調幾點：

• 這里的存儲器指的是內存
• 不考慮緩存情況，這里的CPU能且只能對內存進行讀寫，不能訪問外設(輸入或輸出設備)
• 外設(輸入或輸出設備)要輸入或者輸出數據，也只能寫入內存或者從內存中讀取。
• 一句話，所有設備都只能直接和內存打交道。

📌 注意：
對馮諾依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到對軟件數據流理解上，請解釋，從你登錄上qq開始和某位朋友聊天開始，數據的流動過程。從你打開窗口，開始給他發消息，到他的消息之后的數據流動過程。如果是在qq上發送文件呢？

二. 操作系統（Operating System）

2.1 概念

操作系統（OS）是計算機系統中一個基本的程序集合，包括：

• 內核（進程管理、內存管理、文件管理、驅動管理）
• 其他程序（如函數庫、shell程序等）

2.2 設計OS的目的

• 對下：與硬件交互，管理所有軟硬件資源
• 對上：為用戶程序（應用程序）提供良好的執行環境

2.3 核心功能

操作系統在整個計算機軟硬件架構中的定位是：一款存正“搞管理”的軟件。

2.4 如何理解“管理”

• 管理的例子：學生、輔導員、校長
• 描述被管理對象
• 組織被管理對象
  
  總結
  計算機管理硬件:
• 1.描述起來，用struct結構體
• 2.組織起來，用鏈表或其他高效的數據結構
  

2.5 系統調用和庫函數概念

• 在開發角度，操作系統對外會表現為一個整體，但是會暴露自己的部分接口，供上層開發使用，這部分由操作系統提供的接口，叫做系統調用。
• 系統調用在使用上，功能比較基礎，對用戶的要求相對也比較高，所以，有心的開發者可以對部分系統調用進行適度封裝，從而形成庫，有了庫，就很有利于更上層用戶或者開發者進行二次開發。

承上啟下

那在還沒有學習進程之前，就問大家，操作系統是怎么管理進行進程管理的呢？很簡單，先把進程描述起來，再把進程組織起來！

三. 進程

3.1 基本概念與基本操作

• 課本概念：程序的一個執行實例，正在執行的程序等
• 內核觀點：擔當分配系統資源（CPU時間、內存）的實體

3.1.2 描述進程 - PCB

1. 基本概念

• 進程信息被放在一個叫做進程控制塊（PCB）的數據結構中，是進程屬性的集合
• 課本上稱之為PCB（processcontrolblock），在Linux操作系統下的PCB是：task_struct。

2. task_struct-PCB的一種

• 在Linux中描述進程的結構體叫做task_struct。
• task_struct是Linux內核的一種數據結構，它會被裝載到RAM(內存)里并且包含著進程的信息。

3.1.3 task_struct

1. 內容分類：

• 標示符：描述本進程的唯一標示符，用來區別其他進程。
• 狀態：任務狀態，退出代碼，退出信號等。
• 優先級：相對于其他進程的優先級。
• 程序計數器：程序中即將被執行的下一條指令的地址。
• 內存指針：包括程序代碼和進程相關數據的指針，還有和其他進程共享的內存塊的指針
• 上下文數據：進程執行時處理器的寄存器中的數據[休學例子，要加圖CPU，寄存器]。
• I/0狀態信息：包括顯示的I/O請求，分配給進程的I/0設備和被進程使用的文件列表。
• 記賬信息：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。
• 其他信息
• 具體詳細信息后續會介紹

2. 組織進程
   所有運行在系統里的進程都以task_struct鏈表的形式存在于內核中。
   

3.1.5 查看進程

1. 進程信息可以通過/proc系統文件夾查看。例如，獲取PID為1的進程信息，查看/proc/1文件夾。
2. 大多數進程信息也可以通過top和ps等用戶級工具獲取。

3.1.6 通過系統調用獲取進程標識符

• 進程id（PID）
• 父進程id（PPID）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{printf("pid: %d\n", getpid());printf("ppid: %d\n", getppid());return 0;
}

3.1.7 通過系統調用創建進程 - fork初識

• 運行 man fork 認識fork
• fork有兩個返回值：

1. 父進程返回值為子進程的PID
2. 子進程返回值為0

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int ret = fork();printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);sleep(1);return 0;
}

• fork之后通常使用if分流

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int ret = fork();if(ret < 0){perror("fork");return 1;}else if(ret == 0){ // childprintf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}else{ // fatherprintf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}sleep(1);return 0;
}

后言

這就是初識馮諾依曼體系和進程PCB。大家自己好好消化！今天就分享到這！ 感謝各位的耐心垂閱！咱們下期見！拜拜~