初识 操作系统与进程

冯诺依曼体系系统

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

- 输入单元：包括键盘，鼠标，扫描仪，写板等
- 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
- 输出单元：显示器，打印机等

关于冯诺依曼，必须强调几点：

- 这里的存储器指的是内存
- 不考虑缓存情况，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）
- 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。

一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

操作系统

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（例如函数库，shell程序等等）

在整个计算机软硬件架构中，操作系统是一个高效管理的软件：管理计算机上的软硬件资源

OS定位

可以得出：

1. 管理者的任务种类分两种：硬件管理软件管理
2. 按照目标对象分两种：一种对内的管理，一种对外业务进行管理

设计OS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）
  

进程

对于一个操作系统来说，一个任务就是一个进程。

一个程序刚开始就是一个在硬盘上的程序，加载运行时，是为了完成某些任务。而要完成任务，就需要操作系统为该任务提供足够做的资源(如内存和CPU资源)，而这一整套任务的执行，就叫做进程

所以：进程是担当分配系统资源(CPU时间、内存)的实体，是具有动态特性的。

查看进程

启动任务管理器，就可以查看当前主机的所有进程了

这是我当前系统中的进程之一，其中 PID 是这个进程的代号

进程和程序的区别

• 程序是静态的指令集合，可执行文件
• 进程是一个程序动态的运行过程，需要被加载在内存中

操作系统管理进程

1. 描述：用 task struct结构来描述进程
2. 组成：本质就是使用双向链表把很多的 task struct 变量串起来

时间片轮转机制

操作系统的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式，也就是说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。

时间片：任务执行的一小段时间
运行状态：任务正在执行时的状态
任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务
就绪状态：被暂停的任务就处于就绪状态，等待下一个属于它的时间片的到来

这样每个任务都能得到执行

并行和并发

cpu多核(多个处理核心)，每个核心都有自己的寄存器，可以调度一个程序的运行

• 并行：多处理机的情况下，多个进程同时运行
• 并发：单处理机的情况下，多个进程在同一时间间隔运行

注意：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

内核态和用户态

一般的操作系统会对执行权限进行分级：用户态和内核态

• 内核态：操作系统作为直接控制硬件设备的底层软件，权限最高，称为内核态
• 用户态：用户程序的权限最低

比如说：一个班级，班长自己打扫卫生、收发作业，这叫用户态；而班长把这些事情分配给其他班委，班委在忙，这对于班长来说，就是内核态

上下文

上下文简单说来就是一个环境，进程在时间片轮转切换时，由于每个进程运行环境不同，就涉及到转换前后的上下文环境的切换

• 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。

进程状态

• 就绪：进程处于可运行的状态，只是CPU时间片还没有轮转到该进程，则该进程处于就绪状态
• 运行：进程处于可运行的状态，且CPU时间片轮转到该进程，该进程正在执行代码，则该进程处于运行状态
• 阻塞：进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成

优先级

CPU资源分配的先后顺序，就是进程的优先级

优先级高的进程有优先执行权利
配置进程优先级对多任务环境的Linux很有用，可以改善系统性能。 把进程运行到指定的CPU上，这样就可以先执行重要的进程，可以大大改善系统整体性能