linux之进程理解(1)

1. 冯诺依曼体系结构

2. 操作系统(OS)

2.1 概念

2.2 设计OS的目的

2.3 定位

2.4 理解管理

3. 系统调用和库函数概念

4. 补充

1. 冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。

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，硬件的各种连接是根据冯诺依曼体系结构连接

输入单元(设备)：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板，摄像头，网卡等

中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等，运算速度非常快

输出单元(设备)：显示器，打印机，声卡，磁盘，网卡等

数据是要在计算机的体系结构中进行流动的，流动的过程中进行数据的处理

从一个设备到另一个设备，本质是一种拷贝！！！

比如输入设备的数据拷贝到存储器，存储器的数据拷贝到cpu等

数据设备间的拷贝效率决定了计算机整机的基本效率

存储：距离CPU越近，效率越高，成本造价越高(比如寄存器)

关于冯诺依曼，必须强调几点：

1. 这里的存储器指的是内存

2. 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)

3. 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。

4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

为什么要有内存的存在而不是让输入设备直接与CPPU进行交互？

输入设备（如键盘、鼠标、磁盘等）与 CPU 的速度差异非常大。输入设备的速度相对较慢，而 CPU 的处理速度非常快。如果让输入设备直接与 CPU 进行交互，CPU 在等待输入设备的数据时会处于空闲状态，从而造成资源浪费和系统效率低下。

内存作为介于输入设备和 CPU 之间的缓冲区域，能够存储大量数据，并且可以被 CPU 快速访问。通过在内存中加载数据，CPU 可以随时从内存中读取所需数据，而不必等待输入设备传输数据。此外，多个设备可以共享内存中的数据，实现更高效的数据交换和处理。

内存提供了一个统一的数据存储和处理区域，使得 CPU 可以方便地访问和处理数据。输入设备通常只负责数据输入和输出，而数据的处理和存储更适合由 CPU 和内存来完成。

总的来说:因为输入设备的效率非常低而CPU的效率非常高，一个处理完了一个还在加载数据，类似于木桶原理，有多个木片组成计算机，效率由输入输出设备决定。有了内存后，可以在内存中加载很多数据，cpu读取数据不是从输入设备读取数据了而是从内存中读取数据这样整机效率由内存决定

而且有了内存等其他便宜的存储单元可以使电脑的价格降低

程序运行为什么要加载到内存中？

程序=代码+数据程序“数据”都要被CPU访问

程序没有被加载到内存的时候在哪里？在磁盘里，就是一个普通的可执行的二进制文件

又因为磁盘是一个外设设备而CPU只能在内存中读取代码和数据所以注定了你的程序只能从外设加载到内存中然后才能被cpu执行(也就是跑起来)

这就是冯诺依曼体系结构的应用

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，到他的到消息之后的数据流动过程。

输入阶段： 当你打开 QQ 软件并开始输入消息时，键盘是输入设备，它会将你输入的字符转换为数字编码并发送给 CPU 进行处理。CPU 接收到键盘输入的数据后，会将数据存储到内存中的输入缓冲区。

处理阶段： CPU 接收到输入数据后，会调用 QQ 软件的相应功能模块，比如消息发送模块。软件会将你输入的消息数据从内存中读取出来，并进行处理，包括对消息内容的格式化、加密等操作。处理完成后，消息数据会被放入内存中的发送缓冲区等待发送。

输出阶段： 处理完成的消息数据会被发送到网络接口卡，经过网络协议封装后通过网络连接发送给服务器。服务器接收到消息数据后，会将数据传输给你的朋友所在的设备。

接收阶段： 朋友的设备接收到消息数据后，CPU 将数据存储到内存中的接收缓冲区。QQ 软件会从接收缓冲区读取消息数据，并展示在聊天窗口中。

在整个过程中，数据的流动遵循了冯·诺依曼计算机体系结构的基本原理，即输入、处理、输出三个步骤。CPU 作为计算机的核心组件负责控制和协调数据在各个部件之间的流动，而内存作为数据存储和传输的中介承担着关键的角色。通过这样的数据流动过程，你和朋友之间的聊天交流得以实现。

2. 操作系统(OS)

电脑开机时需要几十秒的时间本质是加载我们的操作系统，他是一个为我们进行软硬件管理的软件

比如u盘的插入与弹出是操作系统进行硬件的管理

比如对软件的整个生命周期(下载安装卸载)等是进行软件的管理

2.1 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(广义)，操作系统包括：

操作系统的内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
操作系统的外壳周边程序（例如函数库，shell程序，图形化程序等等)-给用户提供使用操作系统的方式

狭义的认识：只是操作系统的内核

2.2 设计OS的目的

如果没有操作系统就没有东西管理这些硬件，那么这些硬件是好的还是坏的还是当前什么状态等就无从得知。操作系统通过驱动程序来与硬件设备进行通信和管理，从而获取硬件设备的状态信息，并对其进行控制和监控。

与硬件交互，管理所有的软硬件资源--手段(对下)

为用户程序（应用程序）提供一个良好(稳定的，安全的，高效的)的执行环境--目的(对上)

OS起到一个承上启下的作用，大概结构图如下：

OS不是对底层yin

2.3 定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

2.4 理解管理

管理者具有决策权！就比如学校里校长是管理者，学生是被管理者

但是校长和学生之间并没有经常接触但是就能管理好，说明管理者和被管理者不需要经常接触

管理的本质是对被管理者的数据进行管理，拿到你的数据才是目的！

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(用链表等管理数据) 也就是说每个设备我都可以用结构体描述然后用数据结构组织进行增删查改，当计算机管理硬件时，可以使用结构体（struct）来描述每个硬件设备的属性，并使用链表或其他高效的数据结构来组织这些硬件设备。
任何管理都是先把被管理对象描述起来后组织
这就是我们为什么学数据结构，因为数据结构他讨论的是如何对一个一个对象如何管理的学科，不同的数据结构决定了管理的侧重点和效率。就比如我们的容器本质就是数据结构，以及C++所谓的封装本质是描述对象而STL就是组织对象的方式！(STL就是容器)

凡是要对特定的对象进行管理都是先描述(比如c++的类就是描述)后组织

3. 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。

具体的操作系统图：

有接口是为了操作系统的安全，防止我们用户对操作系统进行破坏，就比如银行一样我们进不去银行的柜台它只提供窗口也是为了安全，为什么只提供窗口因为银行不相信任何人也就是群众中有坏人。
接口的设计确实是为了操作系统的安全性考虑。接口提供了一种受控的方式，让应用程序或用户与操作系统进行交互，同时限制了对操作系统内部的直接访问，从而降低了潜在的破坏风险

4. 补充

指针的大小（即地址本身的大小）通常由操作系统的位数决定，而指针运算时的步长则取决于指针所指向的数据类型的大小。
#include <stdio.h>
int main()
{int arr[] = {1,2,3,4,5};short *p = (short*)arr;int i = 0;for(i=0; i<4; i++){*(p+i) = 0;}for(i=0; i<5; i++){printf("%d ", arr[i]);}return 0;
}
结果为0 0 3 4 5

在32位系统上，指针 p 的大小仍然是4个字节，而每次对 p 进行指针运算时，会按照指向的数据类型大小来进行偏移，即每次偏移2个字节。而一个数据是四个字节，所以移动四次是改变两个数据