1. 冯诺伊曼体系结构

1.1. 概念

1. 冯诺伊曼体系结构由五大部分组成，分别为输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。其内包含的设备既是独立的，又是连接的。运算器和存储器统称为CPU，中央处理器，存储器是内存。

2. 设备是独立的： 输入设备：键盘、鼠标、话筒、网卡、磁盘、摄像头等；输出设备：显示器、声卡、显卡、网卡、磁盘、打印机等。

体系结构内的有些设备只能做输入 / 只能做输出 / 既可以做输入，又可以做输出。

4. 设备是连接的：通过总线连接，集成在主板上。

连接是手段，目的是进行设备之间数据流动。数据流动的本质是数据会在设备之间进行来回拷贝。数据拷贝的整体效率，是决定着计算机效率的重大指标。

一般会被普遍流行的计算机具有的特性：稳定性和效率都还不错，价格便宜。

1.2. 数据信息流动过程

1. 计算机的存储金字塔

• 距离CPU越近的存储单元，访问效率越高，单体容量小，造价贵
• 距离CPU越远的存储单元，访问效率越高，单体容量大，造价便宜。

2. 为什么体系结构中要存在内存？

如果体系结构中没有内存，根据"木桶原理"(“短板效应”)，计算机整体的效率就变成了以外设的访问效率为主。

相较于从外部存储设备中读取数据，从内存中读取数据要快得多，即：内存的访问速度远高于外部存储设备。

体系结构存在内存，计算机整体的效率就变成了以内存的访问效率为主。

内存的引入把效率问题，转化为了软件问题，它可以让我们的计算机效率还不错，且较便宜，我们才能买的起电脑。注意：所有设备只能直接和内存打交道 -》 在数据层面上，CPU只能对内存进行读写，不能访问外设(输入、输出设备)、外设也只能将数据写入内存中 或者 从内存中读取数据。

3.数据信息流动的应用场景

a. 程序在运行中，必须将程序加载到内存中。
答 : 因为冯诺依曼体系规定的。程序 ->是个二进制文件 -> 存储在磁盘外设中 -> 只能直接访问内存 -> 最终需要通过CPU来执行 <- 它的指令和数据 <- 程序。

b. 登录上qq开始和某位朋友聊天，数据的流动过程
答：我 : 键盘 -> 内存 -> cpu -> 内存 -> 网卡。网友：网卡 -> 内存 -> cpu -> 内存 -> 显示器。

c. 在qq上发送文件, 数据的流动过程
答：磁盘 -> 内存 -> cpu -> 内存 -> 网卡。

2. 操作系统

2.1. 概念

操作系统概念：操作系统是一个进行软硬件资源管理的软件。它是第一个被加载到计算机的软件。为用户提供数据方面、技术方面的支持。

2.2. 管理

一、例子1：以校园生活为背景，引出计算机中"管理"的概念：

人们在生活和工作中的角色，大致可以被划分以下三类：只做决策的人，等同于管理者，在校园中相当于校长；只做执行的人，等同于被管理者，在校园中相当于学生；既做执行又做决策，在校园中相当于辅导员，保证管理决策落地。

1. 管理的本质不是对人做管理，而是对人的属性信息(数据)做管理。

管理者和被管理者无需见面，说明管理一个人的本质不在于见面。eg : 开学到毕业你或许都没和校长见过一面，但你大学四年学业课程，却被他安排的"明明白白"。

2. 管理者的核心工作是做决策，根据被管理者的数据来做决策。

管理者和被管理者面都没有见到，那么管理者是如何拿到被管理者的信息的呢? 辅导员 -> 保证管理决策落地。

3. 当被管理者非常多时，即：数据量非常大时，管理者如何管理呢？

• 结构体、类用来封装一组类型不同但又相关的若干数据，以及操作这些数据的方法。

因为所有学生在特定场景具有相同的属性信息，如：姓名、年龄、学号、年纪等，所以我们可以定义一个结构体struct student来描述学生的属性信息，创建多个结构体变量，通过将变量放入特定的数据结构(链表)中 ——》 把对学生的管理工作，转为了对链表的增删查改。

eg：找到年龄最小的学生，并把它删除：以学生的年龄作为基值，遍历链表，若查找到了，就在链表中删除这个节点。注意：对管理的一个计算机建模的过程 ：先描述、再组织。

• 计算机级别的建模：主要是指将具体问题或现象，转化为计算机能够认识和处理的形式。

二、例子2：面向对象语言

1. 描述下历史：先描述的过程：就是面向对象的过程 —— class 、struct ；再组织的过程：数据结构 —— STL，如vector、list、stack、map等。

类中有对象的方法和数据，再把用该类创建的对象放入到容器中。eg：C语言小项目：三子棋、扫雷、通讯录. 定义通讯录，struct Person { string name; int number；} (描述)、struct Contact { int num; struct Person p[1000]；} (组织)。

2. 预测下未来：以后只要是进行管理，都要做以下两件事：先描述(class、struct)、再组织(STL容器，数据结构) -》将具体问题，进行计算机级别的建模过程，转换为计算机能够认识的问题。

• 数据结构的本质是对数据进行管理。

注意：综上所述：把对数据的管理场景转化为对特定数据结构的增删查改。

2.3. 设计操作系统的目的

1. 为什么要有操作系统(为什么要有操作系统的管理)?

答：对下进行软硬件资源管理(手段)，对上提供一个良好的运行环境(目的)。

2. 为什么要存在系统调用接口?

• a. 安全保护和资源管理。

通过系统调用，操作系统可以确保用户程序不会直接访问或修改内核数据，防止潜在的安全风险。
系统调用接口是用户和内核进行交互的唯一途径，有助于操作系统有效的管理其资源，确保用户程序在受控和安全的环境下访问和使用系统资源。

• b.简化操作。

系统调用为用户程序提供了高级的、易于使用的接口，以访问操作系统提供的各种服务和功能。这使得程序员无需深入了解底层硬件和操作系统的细节，就可以编写出高效且可靠的应用程序。

2.4. 系统调用和库函数概念

一、系统调用

系统调用接口概念：也称为系统调用函数system call，是操作系统提供给用户和内核进行交互的一组接口。因为Linux大部分代码是用C语言写的，system call是用C语言设计出的函数。

eg：当你去银行取钱时，银行会有一个窗口，将你"挡在外面", 你只能通过银行内部人员进行取钱。银行窗口相当于操作系统中系统调用接口。

1. 用户不能绕过操作系统直接访问硬件资源，会出现数据损害、资源冲突、系统崩溃等安全隐患。

2. 任何人不能直接访问操作系统，必须通过系统调用接口才能访问。例外：在嵌入系统中用户可以直接与内核进行交互。

3. 系统调用接口在确保操作系统安全性的情况下，为用户程序提供了对底层硬件访问、系统级别任务的方法。

二、库函数

库函数概念：由编译器或者操作系统预先写好的函数，被存放在"库"中，由用户提供。eg：printf、scanf库函数存放在C标准库中。

1. 用户操作接口有库、Shell外壳、部分指令。系统调用接口是系统级别的接口，要求使用者需要对操作系统有一定的了解，然而大多数用户并不了解操作系统 , 所以用户提供了类似于printf和scanf级别的库函数 , 两者都可以让用户完成对硬件资源的使用。

eg：对于不识字的老人家来说，直接使用银行的自助服务系统可能会非常困难，因为他们可能无法理解和操作复杂的界面和流程。在这种情况下，银行会提供一个服务人员来帮助他们完成任务，这个服务人员就相当于用户操作接口。

2. printf、scanf的重新理解：printf是向显示器进行打印，scanf是从键盘中读取数据，说明都需要访问硬件设备。因为对硬件设备的访问，必须通过操作系统、而对操作系统的访问，必须通过系统调用接口，所以printf、scanf底层封装了系统调用。

3. C标准库具有跨平台性、可移植性。原因之一：C的库函数中调用的system call是由当前操作系统所决定的。eg: Windows下printf函数封装的system call是代码A,，Linux下printf函数封装的system call是代码B，但是C的库函数printf实现时并没有指定是使用代码A还是代码B，具体情况取决于当前操作系统。

• 库函数 vs 系统调用，两者是上下层的关系，库函数在上，由用户(设计者)提供；系统调用在下，由操作系统提供。

3. 进程

3.1. 引言

可执行程序 -> 是二进制文件 -> 存放在磁盘中 -> 外设 -> 需要被加载到内存中。

1. 我们可以同时启动多个程序？ 可以，但我们一定要将多个可执行程序加载到内存中。

2. 操作系统需要管理多个被加载到内存的程序吗？ 需要。

3. 操作系统如何管理多个被加载到内存的程序呢？ 先描述、再组织。

3.2. 概念

进程 = 内核PCB对象 + 可执行程序 = 内核数据结构 + 可执行程序

1. 教材概念：进程是正在运行的程序、被加载到内存的程序、进程可以排队。

2. 为什么程序加载到内存，变成进程，我们要给每个进程形成一个PCB对象呢？

3. 因为操作系统要对进程进行管理，先描述、再组织，PCB是描述进程所有属性信息。

4. 管理的本质：对数据结构的对象进行管理。

对于之前所学习的所有数据结构以及方法，都是对节点的管理工作，而每个节点里面包含数据，都是在模拟操作系统目前的管理工作 ——> 操作系统和数据结构的关联度很大。

注意：未来所有对进程的操作和控制，都只和进程的PCB有关，与进程的可执行程序无关。即：进程的PCB(Node)可以被放入到任何(多个)数据结构中。

eg：CPU的资源是有限的，所以多个进程在运行时需要竞争这些资源，进程的PCB才会被放入到一个队列中准备被CPU调度，这个队列称为"运行队列"。

• 💡Tips：几乎所有的独立的指令，都是可执行程序，当它们被运行起来，都要变成进程。

3.3. PCB

1. PCB概念：是进程控制块的缩写，它是操作系统为了管理进程所设置的一个数据结构，其中存放着操作系统用于描述进程的所有属性信息，是进程存在的唯一标识。

2. PCB是操作系统学科的叫法，Linux下的PCB是task_struct。

• PC指针/eip寄存器：在操作系统中，每个进程都有唯一的程序计数器(PC指针)，用于存储当前指令的下一条将要执行的指令的地址。循环、判断、函数跳转的本质是修改PC指针。程序计数器是CPU的一个寄存器，它包含一个地址值，这个地址值指向内存中将要执行的指令序列。

💡Tips：PC指针指向哪个进程的代码，就表示哪个进程正在被CPU调度运行。

3.4. 查看进程

1. 在Linux操作系统中，将进程的所有属性信息，以进程的PID为目录名，存放在/proc系统目录下。

ls -l /proc/XXX

• 功能：获取PID为XXX的进程所有信息。

2. exe文件：本身不是一个实际存在文件，它是一个符号链接，指向当前正在执行的可执行文件的实际路径。

• 问：一个进程一旦启动，我们把它所对应的可执行文件删除了，为什么这个进程仍然可以继续运行呢？

答：一个进程一旦启动，它会在内存中加载其可执行文件的部分或者全部内容，包括代码、数据、资源等。进程开始运行后，它不依赖于磁盘上的可执行文件，而是直接使用内存中的副本，所以删除磁盘上的可执行文件，不会影响进程本次运行，一旦将这个进程退出，这个进程不会再运行了。

💡Tips：运行一个程序，本质是将可执行文件从磁盘拷贝到内存。

3. cwd文件：是一个符号链接，表示当前进程的当前工作目录。

int chdir(const char* path) ；

• 功能：允许程序改变当前进程的当前工作目录cwd，是一个系统调用接口。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
 
int main()
{ 
    printf("self id：%d\n", getpid());
    printf("更改前:当前工作目录\n");
     sleep(25);
 
     chdir("/root/tmp");
 
     printf("更改后:当前工作目录\n");
     sleep(25);                                                     

     FILE* fp = fopen("110.txt","w"); 
    //此处表示，如果不存在110.txt文件，就会在当前路径(cwd)下，创建此文件
     if(fp == NULL) return 1;
     fclose(fp);
     printf("文件创建成功\n");

     return 0;
}

3.5. 进程标识符

pid_t getpid(void) ;

• 功能：获取进程的标识符(PID)。

pid_t getppid(void) ;

• 功能：获取父进程的标识符(PID)。

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep 18835 | grep -v grep

• 功能：获取单个进程。

1. 一般在Linux中，普通进程，都有它的父进程。即：每个子进程都是由它的父进程创建出来的。

2. 命令行解释器bash，是所有在命令行中启动的进程的父进程。孤儿进程例外。即：在命令行启动的进程都是bash的子进程。

3. 多次运行同一个可执行程序，每次启动都会创建新的进程，OS会为每个新进程分配唯一的PID，每次运行的进程之间是独立的，互不影响。

注意：PCB对象以及内部数据，是操作系统内核的一部分，访问PCB内的数据，需要通过系统调用接口来访问。

3.6. 创建进程

一、fork函数

pid_t fork(void) ;

• 功能：创建一个子进程。

1. 概念：fork是个系统调用接口，用于创建一个新的进程，这个新进程被称为子进程，调用fork函数的进程称为父进程。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    printf("before fork: I am a process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
    sleep(1);
    
    fork();
 
    printf("after fork: I am a process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
    sleep(1);
    
    return 0;
}

a. fork之后，代码共享。

b. 从一个执行分支流，变为了两个执行分支流，从一个父进程，变为了父子两进程，fork之后的代码父子进程同时执行。

2. 返回值：如果创建进程成功，将子进程的PID返回给父进程，0返回给子进程。反之创建失败，将-1返回给父进程。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
    printf("before fork: I am a process, pid: %d, ppid: %d\n", getpid    (), getppid());
    sleep(4);
    printf("开始创建进程\n");
    sleep(1);
  
    pid_t id = fork();
    if(id < 0) return 1;
    else if(id == 0)
    {
        //子进程
        while(1)
        {
            printf("after fork: 我是子进程，pid: %d, ppid: %d, id: %d    \n", getpid(), getppid(), id);
            sleep(2);
        }
    }
    else
    {
        //父进程
        while(1)
        {
            printf("after fork: 我是父进程，pid: %d, ppid: %d, id: %d    \n", getpid(), getppid(), id);                                       
            sleep(2);
        }
     }
  
    return 0;
}

3. 特点：子进程被创建，是以父进程为模板。

fork函数创建的子进程会继承父进程的许多属性和数据、它会创建与父进程几乎完全一样的副本，所以fork之后代码共享。

-fork之后的代码是由父进程提供的，为了让父子进程执行不同代码，使用if. . . .else根据fork返回值进行分流。

二、fork函数原理

1. 为什么fork函数给父进程返回子进程的PID，给子进程返回0？

• 父进程 ：子进程 = 1 ：N。父进程通过标识符来确认和控制子进程；父进程具有唯一性，子进程只需调用getppid( )函数，就可获取父进程的PID。

2. 为什么fork函数会返回两次？

• 一个函数，已经运行到了最后开始执行return的时候，这个函数的核心逻辑已经执行完成了！

fork函数功能是创建子进程，在fork函数执行return之前，子进程就已经被创建出来了，return是语句、是代码，fork之后，代码共享，所以fork函数会返回两次。

3. 为什么fork函数的返回值id，同一个变量id，既大于0，又等于0？

• 在Linux中，可以使用同一个变量名，可以表示不同的内存！

问1：一个进程崩溃，会影响其他进程吗？

答：不会。因为进程(任意)之间具有独立性，互不影响。操作系统在设计的时候，就必须保证这一点。

问2：父子进程对共享的数据做修改，会出现什么现象吗？

答：在没有发生写操作前，父子进程代码和数据是共享的，它们都指向同一份物理内存的只读副本。当其中一个进程(父/子进程)尝试对共享数据做修改时，内核会检测到写操作，然后从另一个进程那拷贝一份到自己这进行修改(为该进程创建数据的私有副本)，这一操作称为写时拷贝。