初识计算机操作系统与进程

操作系统

1.硬件组成

核心：冯诺依曼体系结构
组成：

• 输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪等
• 中央处理器（CPU）：运算器和控制器
• 输出设备：显示器、打印机等

特点：

• CPU 和输入设备或输出设备之不能直接交互，必要依靠中间的储存部分（内存）
  内存中数据不能持久化，电脑重启后就没了，磁盘中的数据可以持久化

2. 软件OS

2.1 什么是操作系统？

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：

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

2.1 怎么理解操作系统？

类比银行系统和操作系统的：

区别	银行系统	操作系统
业务	存取款、贷款、转账	基本API的调用
提供服务的方式	以窗口的形式对外提供各种服务	以接口的形式对用户提供各种服务
管理者的角色	通过硬件设备负责人进行硬件管理 ， 如：电脑是否正常工作，工作环境是否干净等也要在系统内部进行常规的业务管理，比如：传款接待等	通过硬件设备驱动进行硬件管理，比如：硬盘当前是否正常工作，网卡是否收到数据等。在系统内部进行常规的软件业务管理，比如：文件管理、去顶管理、进程管理
执行者的角色	硬件设备的负责人	各种负责硬件正常进行基本工作的软件程序、驱动程序
被管理者的角色	银行安保设备、调度设备、货币设备、员工公寓等其他硬件设备	各种计算机硬件、整体以冯诺依曼框架组织、如CPU、内存、网卡、硬盘等

总的来说：

1. 管理者的任务分为两种：硬件管理和软件管理
2. 按照目标对象分两种：对内管理和对外的业务管理

2.3 为什么要设计OS

设计操作系统的目的：

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源（对内且对下）
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境（对外且对上）

3.进程

3.1 什么是进程

一个执行任务就说一个进程。

可执行文件（.exe） 不等于进程
但当运行一个exe时候就会产生一个进程

编写一个java进程：

public class HelloJava {
     
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
        Thread.sleep(2*60*1000);   // 等待 2分钟
    }
}

在cmd中编译并运行：

javac Test.java
java Test

打开任务管理器中查该进程：

3.2 进程的本质

进程在操作系统中是由一个链表组成的多个 PCB（进程管理模块）结构体
每次运行exe文件时相当于在内核中PCB链表中把这个exe文件
转换成了一个 PCB 结构体
PCB（进程管理模块）结构体：

1. PID (主键ID、身份识别)
   PID 是进程的身份ID，是唯一的，但是重启后 PID 就变了
   [外链图片转存失败,源站可能有防盗在这里插入!链机制,建描述]议将图片上https://传(imbl.csdnimg.cn/202CGjT10502010848190.285)(https://img-哇ng)]

2. 状态信息（就绪、运行、堵塞、终止）
   

3. 优先级 （用于资源分配）

4. 记账信息（记录进程运行次数，把防止CPU分配资源不均）

5. 一组指针（进程需要使用的资源）

6. 上下文信息（进程运行时是分时运行的，当分配到CPU 资源时执行，然后没有CPU资源之后， 暂时保存当前状态，等待下一次执行，这个过程叫做一个上下文）

• 就是一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容。
• 切换时需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能 够恢复切换时的状态，继续执行。

3.3 时间片

操作系统的任务调度是猜用时间片轮转的抢占式调度方式，当一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，每个任务轮流执行，任务执行的一小段时间就叫做时间片。

这样每个任务都能得到执行，由于CPU的执行效率非常高，时间片非常短，在各个任务之间快速地切换，给人的感觉就是多个任务在“同时进行”，这也就是我们所说的并发。

3.4 并发与并行

• 并发：多个进程在一个CPU下采用时间片轮转的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进， 称之为并发。
• 并行：多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。

并发相当于：一个银行只有一个窗口，工作人员轮流给每个人办业务，但是只给每个人 1 分钟，时间一到保存进度，然后接着下一个人上一次的保存的进度继续办理业务。

并行相当于：银行有很多窗口，同时给所有人办理业务。

3.5 内核态与用户态

操作系统对执行权限进行分级：用户态和内核态。

• 操作系统内核作为直接控制硬件设备的底层软件，权限最高，称为内核态，或核心 态。
• 用户程序的权限最低，称为用户态。

举个例子：
张三去银行办业务，在表上填写自己写姓名，电话，邮箱等等，做着自己的事情，这叫做用户态，而张三通过窗口的工作人员，把自己的需求给工作人员，自此，张三在等，银行工作人员在忙，对张三来讲，就叫做陷入内核。
内核态就是工作人员在帮你办理业务时的状态