【Linux学习笔记】初识冯诺依曼体系和进程PCB

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了gdb和cgdb 今天我们讲的是初识冯诺依曼体系和进程PCB。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋！

一. 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本，以及不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。计算机由以下硬件组件组成：

• 输入单元：包括键盘、鼠标、扫描仪、写字板等
• 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

1.1 关于冯诺依曼体系的要点：

• 存储器指的是内存
• CPU只能对内存进行读写，不能直接访问外设（输入或输出设备）
• 外设要输入或输出数据，只能通过内存进行交互
• 所有设备都只能直接和内存打交道

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。

📌 注意：
对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢？

二. 操作系统（Operating System）

2.1 概念

操作系统（OS）是计算机系统中一个基本的程序集合，包括：

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

2.2 设计OS的目的

• 对下：与硬件交互，管理所有软硬件资源
• 对上：为用户程序（应用程序）提供良好的执行环境

2.3 核心功能

操作系统在整个计算机软硬件架构中的定位是：一款存正“搞管理”的软件。

2.4 如何理解“管理”

• 管理的例子：学生、辅导员、校长
• 描述被管理对象
• 组织被管理对象
  
  总结
  计算机管理硬件:
• 1.描述起来，用struct结构体
• 2.组织起来，用链表或其他高效的数据结构
  

2.5 系统调用和库函数概念

• 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
• 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。

承上启下

那在还没有学习进程之前，就问大家，操作系统是怎么管理进行进程管理的呢？很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来！

三. 进程

3.1 基本概念与基本操作

• 课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等
• 内核观点：担当分配系统资源（CPU时间、内存）的实体

3.1.2 描述进程 - PCB

1. 基本概念

• 进程信息被放在一个叫做进程控制块（PCB）的数据结构中，是进程属性的集合
• 课本上称之为PCB（processcontrolblock），在Linux操作系统下的PCB是：task_struct。

2. task_struct-PCB的一种

• 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)里并且包含着进程的信息。

3.1.3 task_struct

1. 内容分类：

• 标示符：描述本进程的唯一标示符，用来区别其他进程。
• 状态：任务状态，退出代码，退出信号等。
• 优先级：相对于其他进程的优先级。
• 程序计数器：程序中即将被执行的下一条指令的地址。
• 内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享的内存块的指针
• 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据[休学例子，要加图CPU，寄存器]。
• I/0状态信息：包括显示的I/O请求，分配给进程的I/0设备和被进程使用的文件列表。
• 记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号等。
• 其他信息
• 具体详细信息后续会介绍

2. 组织进程
   所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在于内核中。
   

3.1.5 查看进程

1. 进程信息可以通过/proc系统文件夹查看。例如，获取PID为1的进程信息，查看/proc/1文件夹。
2. 大多数进程信息也可以通过top和ps等用户级工具获取。

3.1.6 通过系统调用获取进程标识符

• 进程id（PID）
• 父进程id（PPID）

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{printf("pid: %d\n", getpid());printf("ppid: %d\n", getppid());return 0;
}

3.1.7 通过系统调用创建进程 - fork初识

• 运行 man fork 认识fork
• fork有两个返回值：

1. 父进程返回值为子进程的PID
2. 子进程返回值为0

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int ret = fork();printf("hello proc : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);sleep(1);return 0;
}

• fork之后通常使用if分流

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{int ret = fork();if(ret < 0){perror("fork");return 1;}else if(ret == 0){ // childprintf("I am child : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}else{ // fatherprintf("I am father : %d!, ret: %d\n", getpid(), ret);}sleep(1);return 0;
}

后言

这就是初识冯诺依曼体系和进程PCB。大家自己好好消化！今天就分享到这！ 感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~