Linux-冯诺依曼体系结构，操作系统，进程，PCB，进程状态，僵尸进程，孤儿进程

1.冯诺依曼体系结构

生活中我们常见的计算机(eg:笔记本)，不常见的计算机(eg:服务器)，大部分都遵守冯诺依曼体系

特点

•    数据存储在"内存"当中
•    计算机当中的数据一切皆二进制

对冯诺依曼体系结构中各部分之间关系的理解

CPU ,寄存器,存储器之间的关系犹如古代皇上,太监,大臣之间的关系
   •    CPU的功能相当于皇上，寄存器的功能相当于太监，存储器的功能相当于大臣，大臣将(存储器)反馈上来的奏折(数据)交由太监(寄存器)，再由太监(寄存器)将奏折(数据)传递给皇上(CPU)进行批阅(处理)，等皇上(CPU)批阅完奏折(处理完数据)，再将奏折(数据)交于(传递)太监(寄存器)反馈(返回)给大臣(存储器)

2.操作系统

2.1 基本概念

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：

•    内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
•    其他程序（eg：函数库，shell程序）
 
      操作系统 = 操作系统内核 + 一堆应用

2.2 设计OS的目的

操作系统是软件，操作系统在管理计算机的软硬件资源
设计目的

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

那么OS是如何进行管理的呢？

     管理 = 描述 + 组织
 
•    描述：自定义数据类型 eg:struct结构体
•    组织：使用链表或其他高效的数据结构

系统调用接口(函数)和库函数的区别

•    系统调用接口(函数)：操作系统为程序员提供的函数，程序员调用这些函数更好的使用操作系统管理的资源
•    库函数：程序员对部分系统调用函数进行适度的封装，从而形成了库
eg：strcpy strlen malloc free

3.进程

3.1 基本概念

什么是程序？

程序就是经过源代码编译出来的文件，且程序是静态的

什么是进程？

进程是程序运行是的示例，是动态的(进程是程序运行状态时产生的一个实例)；从内核的角度来看，进程是操作系统分配资源的实体

3.2 查看进程信息

ps aux 查看当前操作系统的进程信息

让如下代码跑起来


通过管道符过滤查找当前运行的程序产生的进程信息
ps aux | grep ./main

此时会查看到两个./main的进程信息

为什么会产生两个./main的进程信息
• 第一行是正在运行程序产生的进程信息
• 第二行是因为在执行ps aux | grep ./main命令时，
在命令结束之前，将grep产生的进程信息也保存下来最终返回

4. 描述进程-PCB

4.1 基本概念

进程信息被放在一个叫进程控制块(PCB)的数据结构中，可以理解为进程属性的集合;Linux操作系统下的PCB是task_struct,相当于结构体

• 在Linux中描述进程的结构体叫做task_struct
• task_struct是Linux内核的一种数据结构，它会被装载到RAM(内存)里并且包含着进程信息

4.2 并发和并行

并行：多个进程在同一时刻拥有不同的CPU进行运算，称之为并行
eg：八车道，同一时刻每个车道都可以有一个车通行
并发：多个进程在同一时刻只能由一个进程拥有CPU进行运算，称之为并发
eg：单车道同一时刻只能有一个车通过

4.3 struct内容分类

• 进程标识符(PID)：在操作系统中唯一标识一个进程，用来区别其他的进程

• 进程状态：用来表示进程的任务状态，退出代码，推出信号等

• 程序计数器：保存进程即将运行的下一条指令的地址

• 上下文数据：保存了寄存器中的内容

• 内存指针：指向了程序地址空间(指向堆区，数据段，代码段等)

• I/O状态信息：保存了当前进程打开文件的信息
==> /proc：保存了当前操作系统维护的所有进程信息，每一个进程都是一个文件夹

查看当前进程的进程号
cd到该文件夹下
cd到该文件夹下的fd文件夹查看它对应的I/O流

• 记账信息：使用cpu的时长，占用内存的大小

• 优先级：相对于其他程序的优先级

4.3 进程状态

从大的方面说，进程有三个状态：就绪状态，运行状态，阻塞状态

细分角度来水，进程共有7种状态：

•    R状态：运行状态–>包含就绪和运行两种状态(等待和运行两种状态)
 
•    S状态：可中断睡眠状态–>进程在等待事件完成
 
•    D状态：不可中断睡眠状态
 
•    T状态：暂停状态
–>ctrl+z使一个进程变成暂停状态，暂停后进程仍然存在
–>ctrl+c暂停后进程不存在
 
•    t状态：跟踪状态–>在gdb调试时会出现
 
•    X状态：死亡状态
 
•    Z状态：僵尸状态(后面和僵尸进程一起讲)

fg可以使Ctrl+z暂停的程序回复运行

4.4 进程创建

4.4.1 getpid()函数

getpid()函数：用来获取当前进程的pid号，谁调用获取谁的

4.4.2 getppid()函数

getppid()函数：获取当前进程的父进程的pid号，谁调用获取谁的父进程

测试如下

代码如下
查看当前可执行程序的进程信息和输出结果对比

4.4.3 fork()函数

fork()函数：可以让程序员在代码中创建一个子进程
 
pid_t fork(void)
 
   •    没有参数
 
   •    pid_t：本质是整形
 
   •    返回值：若创建子进程失败，返回-1；若创建子进程成功，对父进程，返回 >0 的数(其实就是返回子进程的PID号)；对于子进程，返回 ==0 的数
 
   •    原理：fork创建子进程的PCB是拷贝父进程的PCB

 
   •    父子进程是相互独立的

ps -ef | grep ./main 可查看子进程的父进程

5. 僵尸进程&僵尸状态

僵尸进程的产生：

子进程先于父进程退出，子进程在退出的时候，会告诉父进程，但父进程没有来得及回收子进程的资源，导致子进程的PCB没有被释放，就产生了僵尸进程，该进程对应的状态叫僵尸状态

测试如下：

创建一个test.c
 
如下代码父进程永远不退出(里面设置了死循环)，子进程执行完代码就退出
使用命令ps aux | grep test查看test的进程信息，如下图所示PID为2337的进程为一个僵尸进程

僵尸进程的危害：

子进程的PCB没办法得到释放，想到与内存泄漏

解决办法：
kill命令
• kill + PID ：杀死进程
• kill -9 + PID：强制杀死进程
但以上命令并不能杀死僵尸进程

•    重启操作系统，代价大，不推荐
•    杀掉僵尸进程的父进程，代价相对大，不推荐
进程等待-进程控制(后面讲)，推荐的方式

6. 孤儿进程

孤儿进程的产生：

父进程先于子进程退出，子进程会被1号进程领养，子进程在退出的时候，就会由1号进程回收子进程的退出资源；称这种进程为孤儿进程
 
注意： 进程状态中没有孤儿状态

什么是1号进程

操作系统启动时产生的第一个进程是1号进程

测试如下：

如下代码子进程永远不退出(里面设置了死循环)，父进程执行完代码就退出
如下图所示PID为7082的进程为一个孤儿进程

6.1 问题1：

创建出来的子进程是从fork之后代码运行还是从fork之前的代码开始运行？

父进程在执行fork时程序计数器中保存的的是下一条语句(判断语句)，fork子进程，子进程拷贝父进程PCB是程序计数器中也保存到下一条判断语句，所以子进程从判断语句开始，子进程是从fork之后的代码运行

6.2 问题2：

到底是父进程先运行还是子进程选运行？

这是不确定的，取决于操作系统的内核的调度(谁先拿到CPU资源)
若有两个CPU，可能父子进程同时运行
若只有一个CPU，取决于谁先拿到CPU资源谁先运行