目錄
1.馮諾依曼體系結構
?小結：
2.操作系統?
概念：
結構示意圖：?
理解操作系統：
用戶使用底層硬件層次圖：?編輯
?3.進程
概念
?結構示意圖
task_ struct內容分類?
典型用法示例
觀察進程:
了解 PID PPID
查看進程
1.馮諾依曼體系結構
- 輸入設備：鍵盤、鼠標、攝像頭、話筒、磁盤、網卡等，這些設備用于向計算機輸入數據和指令。
- 輸出設備：顯示器、聲卡、磁盤、網卡等，用于將計算機處理的結果輸出展示。
- CPU：由運算器和控制器組成，是計算機的核心部件，負責數據的運算和控制計算機各部件協調工作。
- 存儲器：內存，用于臨時存儲計算機正在運行的程序和數據。
CPU 不和外設直接打交道，CPU 只和內存打交道。?
外設 (輸入和輸出) 的數據，不是直接給 CPU 的，而是先要放入內存中。?
程序由代碼和數據組成，未被加載到內存時，以二進制文件形式存儲在磁盤等外部存儲設備中。?
數據流動：數據在計算機體系結構中流動并進行加工處理，從一個設備到另一個設備本質上是一種拷貝操作。?
數據設備間的拷貝的效率，決定了計算機整機的基本效率。
越靠近cpu，容量越小，速度越快，價格越高。
?小結：
- 存儲特性：距離 CPU 越近的存儲設備，數據處理效率越高，但成本也越高。
- 硬件數據流動規則：
- CPU 不直接與外設交互，僅與內存進行數據交換。
- 外設的數據需先存入內存，再由內存傳遞給 CPU 處理。
- 程序運行機制：
- 程序由代碼和數據組成，在運行時需要加載到內存中，因為 CPU 只會從內存中讀取代碼和數據。
- 當程序未被加載到內存時，以二進制文件形式存儲在磁盤等外部存儲設備中。
2.操作系統?
概念：
任何計算機系統都包含一個基本的程序集合，稱為操作系統(OS)。
籠統的理解，操作系統包括：
內核（進程管理，內存管理，文件管理，驅動管理）
其他程序（例如函數庫，shell程序等等）
操作系統是進行軟硬件資源管理的軟件。
從廣義角度看，它包括操作系統的內核以及操作系統的外殼（周邊程序），外殼給用戶提供使用操作系統的方式；
從狹義角度看，操作系統只是指其內核。內核是操作系統的核心部分，負責管理系統的硬件資源、提供基本的服務等；而外殼則是基于內核之上的部分，為用戶提供更友好的交互界面和操作方式。
結構示意圖：?
理解操作系統：
操作系統是進行軟硬件資源管理的軟件，而任何管理離不開這句話：
先描述，后組織。
?以管理學生為例： 管理學生的本質是對學生的數據進行管理。
凡是對特定的對象進行管理都是 先描述，后管理。
在操作系統中驅動層將操作系統的請求轉化為硬件能理解的命令。操作系統識別到相應的設備，創建相應的對象，硬件通過驅動層將硬件設備的相關屬性上傳到操作系統，通過鏈表的形式以便操作系統進行管理。
?
用戶使用底層硬件層次圖：
?我們經常使用的 scanf 和 printf 等本質需要接觸鍵盤和顯示器等底層硬件。但是我們不可能繞過管理系統進行接觸。操作系統保證其穩定性，用戶又不能直接接觸操作系統，這時候就需要用到操作系統提供的?系統調用接口?來滿足用戶的需求，也能保證操作系統的穩定性。
??
按照之前的知識，每種操作系統提供的調用接口讓用戶使用，但在學習C/C++等語言在Windows、Linux不同系統下，我們使用?scanf 和 printf 的方式沒有變化，說明我們使用的不是系統調用接口，而是通過用戶操作接口。我們拿之前在Linux寫的C語言程序查看依賴庫：
ldd [選項] [可執行文件或共享庫路徑]
?
libc就是我們C語言的依賴庫：?
???????
庫函數對系統調用的封裝：
許多高級編程語言中的標準庫函數會對系統調用進行封裝，以提供更方便、更友好的編程接口。例如，C 標準庫中的printf函數，它內部會調用 write 系統調用來將數據輸出到標準輸出設備（如終端）。這種封裝隱藏了系統調用的底層細節，提高了編程效率。
同時，一種編程語言至少需要一套語法，一套標準庫，一套編譯器。在不同的操作系統下，庫函數實現 printf 調用的系統調用接口不同，對其進行封裝可以實現跨平臺性，實現在不同操作系統下也能實現 printf。
?3.進程
概念
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。
?結構示意圖
PCB 在 Linux 為 struct task_struct?
??
task_ struct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／O狀態信息: 包括顯示的I/O請求,分配給進程的I／O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
以開機、開機舉例：
操作系統關機時以二進制文件形式存儲在磁盤中。開機后，內核被加載到內存并初始化。初始化過程中，內核會靜態創建第一個進程（如 init）的 PCB，并存入內存。后續的進程如(fork( ))運行時動態分配PCB和資源，隨后CPU通過調度器選擇PCB開始工作，系統完成啟動。?
進程task_struct在不同的隊列中，就能分配不同的資源。?
?
?
ls 、file、程序的執行本質就是讓系統創建進程并運行
--- 我們自己寫的代碼形成的可執行 == 系統命令 == 可執行文件。
在linux中運行的大部分執行操作，本質都是運行進程!!!
file 是 Linux 系統中一個常用的命令行工具，用于識別文件的類型。它通過分析文件的內容、元數據或特定標識（而非僅依賴文件名后綴），判斷文件屬于哪種類型（如文本文件、可執行程序、壓縮包、圖片等）。
基本語法
file
file [選項] 文件名/路徑
常用選項
-b：僅顯示文件類型描述，不包含文件名（簡潔輸出）。
-i：顯示文件的 MIME 類型（如?text/plain、application/x-executable）。
-z：嘗試分析壓縮文件內部的文件類型（如?.zip、.tar.gz?中的文件）。
-L：如果文件是符號鏈接，顯示鏈接指向的目標文件的類型（默認顯示鏈接本身為 “symbolic link”）。
典型用法示例
觀察進程:
?
?編寫一個簡單的代碼并生成程序。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(){while(1){printf("I am a process\n");sleep(1);}}
~ 
?運行程序使用命令為：
ps axj|grep process axj順序沒有要求ps axj：ps?是查看進程狀態的命令，axj?是組合選項：
a：顯示所有用戶的進程（包括非當前終端的進程）。
x：顯示沒有控制終端的進程（如后臺運行的進程）。
j：以作業控制格式輸出，主要包含?PPID（父進程 ID）、PID（進程 ID）、PGID（進程組 ID）、SID（會話 ID）?等列，適合查看進程間的父子關系和會話信息。
| grep process：管道符?|?將前一個命令的輸出傳遞給?grep?過濾，grep process?用于篩選出包含 “process” 字符串的行（匹配進程名、命令行參數等,進程的默認命名與程序的名字一樣）。?
ps axj|grep process 本身也是一個進程。所以終止process程序后，還能看見process有關的進程。
?想要直觀地了解屬性可以加入
head -1&&ps axj head -1?只取輸出的第一行，即表頭行（例如：PPID PID PGID SID TTY TPGID STAT UID TIME COMMAND），用于說明各列的含義。
ps axj| head -1&&ps axj |grep process #打印進程信息后，取表頭再打印進程信息
了解 PID PPID
操作系統的進程調度器通過 一個唯一的標識符?來區分不同進程，對進程進行調度、分配 CPU 時間片等操作 ，所以有了PID，PID 是每個進程在系統中的唯一數字標識，就像每個人的身份證號一樣。
PPID 記錄創建當前進程的父進程的 ID，從而構建起進程間的父子關系，形成進程樹狀層次結構。這種結構有助于系統對進程進行管理，比如在進程清理時，當父進程結束，系統可以根據 PPID 找到所有子進程并進行相應處理（如在某些情況下，父進程退出后，子進程會被重新掛載到 init 進程下，init 進程的 PID 為 1 ）。同時，系統管理員也可以通過查看進程的 PPID，了解進程的創建來源和相互關系，便于排查問題。
?getpid：用于獲取當前進程的進程 ID（PID），返回值類型為pid_t，無參數。
getppid：用于獲取當前進程的父進程 ID（PPID），返回值類型也為pid_t，同樣無參數。
?
?寫個簡易代碼來觀察
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(){pid_t pid = getpid();pid_t ppid = getppid();while(1){printf("I am a process PID=%d PPID=%d\n",pid,ppid);sleep(1);}}
?
?想要連續觀察進程的狀態，可以添加shell腳本實時觀察：
hile :;do ps axj| head -1&&ps axj |grep process;sleep 1; done 每隔一秒打印一次
?
?多次運行編寫的 process ，每次的子進程 PID 都不一樣 父進程 PPID 不變。
?觀察父進程，發現父進程由bash而來
?我們是否也能創建自己的子進程呢？
答案是肯定的，我們來了解一下fork。
fork()?是 Unix/Linux 系統中用于創建新進程的核心系統調用，通過復制當前進程（父進程）來生成一個幾乎完全相同的新進程（子進程）。以下是對其關鍵特性的解析：
核心功能
進程復制：fork()?會復制當前進程的所有資源（代碼段、數據段、堆、棧、文件描述符等），生成一個新的子進程。
調用后雙進程執行：調用?fork()?后，父進程和子進程會同時從?fork()?的下一行代碼開始執行，但返回值不同：?
進程類型 fork()?調用返回值說明 父進程 子進程的 PID（正數） 父進程通過返回的 PID 識別和管理子進程 子進程 0 子進程通過返回 0 標識自己是子進程 失敗情況 -1 通常因內存不足、進程數超限等原因導致創建失敗
| 差異項 | 父進程 | 子進程 |
|---|---|---|
| 代碼和數據來源 | 從磁盤加載而來 | 是父進程的 “副本”，默認繼承父進程的代碼和數據 |
| 進程 ID（PID） | 有唯一的 PID | 有唯一的 PID，與父進程不同 |
| 父進程 ID（PPID） | - | 等于父進程的 PID |
| 內存鎖 | 可能有通過 mlock () 等函數鎖定的內存區域 | 不繼承父進程的內存鎖 |
| 資源統計 | 有累計的資源使用統計，如 CPU 時間、內存占用等 | 資源使用統計重置為 0 |
| 文件鎖 | 可能有通過 flock () 等函數鎖定的文件 | 不繼承父進程的文件鎖 |
內存與資源的 “寫時復制（COW）”
為提高效率，fork()?使用 ** 寫時復制（Copy-On-Write）** 技術：初始時，子進程與父進程共享同一內存空間，不實際復制數據。
當任一進程（父或子）修改內存數據時，才會復制受影響的內存頁，確保修改獨立。
?我們寫一段代碼簡單了解一下
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {while(1){printf("Child process: ID=%d PID = %d, PPID = %d\n", pid , getpid(), getppid());sleep(2);}} else {while(1){printf("Parent process: ID=%d PID = %d, Child PID = %d\n",pid , getpid(), pid);sleep(2);}}return 0;
}
可以觀察到有兩個進程在同時運行：
刪除子進程：
?刪除父進程
?無論刪除子進程還是父進程都不影響其獨立性。
進程一定要有獨立性
?之前 進程 = 內核數據結構 task_struct +? 代碼 + 數據
父進程和子進程都有對應的task_struct結構，代碼是只讀的，父進程和子子進程的數據是獨立的。
fork()返回兩個值可以理解為分別從子進程和父進程的數據中返回的。
本質上是父進程和子進程在各自獨立的內存空間中，操作系統對同一個變量賦予了不同的值。
?
查看進程
除了之前 ps 命令查看進程，我們能在? /proc 路徑下查看進程：
proc 路徑下的進程按照?PID 命名。?
我們來查看進程的詳情
ls /proc/2699451 -l
?刪除可執行程序后，程序路徑顯示刪除，但是當前進程仍在運行。
?
這是因為我們刪除的是磁盤的文件，進程已經加載到內存里面且文件很小，沒有影響到其他進程且調度器也沒有更緊急的需求，所以仍然可以運行。
以前我們學過 fopen ("log.txt",“w”);
他是怎么打開識別到當前路徑的呢？
?我們先創建一個程序執行
?然后我們修改?log.txt?生成的路徑
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{chdir("/home/new");FILE *fp = fopen("log.txt", "w");(void)fp;fclose(fp);while(1){printf("I am a process, pid: %d\n", getpid());sleep(1);}return 0;
}重新編譯后再次運行程序：
?文件成功改變路徑。
fopen ("log.txt",“w”);
fopen函數調用時，他會尋找自己進程的cwd，當我們把文件名參數輸入（不是絕對路徑時），他默認會拼接當前進程的路徑。所以在當前目錄下生成我們需要的"log.txt"文件。
再見ヾ(￣▽￣)Bye~Bye~
)
從入門到精通！第一天(HTML5))
