在谈操作系统之前我们先从硬件出发

冯·诺伊曼体系结构

红色箭头代表数据信号（数据流动方向），黑色箭头代表控制信号

可能有的同学，不知道上面五个东西具体是什么，我简单说明下

项目	内容
输入设备	键盘，鼠标，网卡，摄像头，磁盘，话筒等
存储器	内存
输出设备	显示器，磁盘，网卡 ，声卡等
cpu	运算器，控制器

可能有同学会问为什么网卡和磁盘既是输出设备又是输入设备呢？因为网卡和磁盘可读可写。当我们把东西从内存放在磁盘里时磁盘就是输出设备，当要执行外存中的程序时，必须通过内存然后到cpu，这时磁盘就是输入设备。

为什么必须通过内存然后到cpu

这是冯·诺伊曼体系结构决定的，这样能提高效率。

各个设备之间的数据流动的本质就是数据的拷贝
拷贝的速度决定了数据流动的速度，什么存储器拷贝速度快呢？
下图给了答案

存储金字塔

冯·诺伊曼结构的改进在哪？

加了存储器，没叫存储器之前，数据直接从输入设备到cpu（cpu是运算器和控制器的集合）然后再到输出设备。这样效率会非常低，因为大量的时间都在等待输入设备输入了。于是我们发明了存储器把程序预先加载在内存中然后再交给cpu，这样做由原先输入设备决定效率变为由内存决定效率。这样做效率提升了1千倍！

我们可不可以全部用寄存器来做存储器

可以是可以，但是价格特别昂贵，不利于计算机的普及。

在硬件数据流动角度

1：cpu不和外设打交道而是和内存打交道
2：外设输入和输出的数据，不是直接传给cpu的，而是先要放入内存中

学以致用：

解释程序运行为什么要加载到内存

因为我们的程序要被cpu访问运算，所以要先到内存才能到cpu
关于拷贝到内存的什么位置，和什么时候拷贝，这是由操作系统完成的

程序没被运行之前存在哪里？

就是普通的二进制文件，在磁盘上

操作系统

概念

进行软硬件资源分配的软件。
对软件比如说我们输入一个文件地址，操作系统就能帮我们找到这个文件，卸载安装程序等等。
对硬件比如说我们分配内存的大小，控制显示器等等。

广义的操作系统

操作系统内核+操作系统外壳周边程序
操作系统周边程序指的是给用户提供使用操作系统的方式，比如说咱们的图形化界面，windows系统安装时自带的office等

侠义的操作系统

只管操作系统的内核

结构

我们能进行视频通话，我们的操作系统希望控制显示器，摄像头，声卡网卡等硬件，但是每个厂家的硬件设备不一样，那么我们操作系统的程序会随着硬件设备不一样而改变吗？而且我们想硬件的升级，是不是操作系统不答应，我们就改变不了呢？硬件和操作系统中间有一层驱动层，每一个硬件都有驱动。

尝试理解操作系统

为什么要有操作系统？

类型的问题学校里面为什么要有除老师，学生以外的其他人员，比如说宿管阿姨，保安。没有宿管阿姨可能会发生串寝的问题，没有保安可能会有校外的闲杂人员进来。这些其他人员给我们提供了良好的学习环境。
操作系统给我们提供了稳定，高效，安全的运行环境

层状的结构划分

操作系统管理我们的软硬件。那么什么叫管理呢？

管理

什么是管理者呢？
我们简单的定义就是大部分做的事情都是决策有关的。
比如在学校的场景校长就是管理者，大到我们学什么和先学什么，犯错误了是否开除小到寝室住哪里都跟校长的决策有关，校长在学校的场景就是管理者，我们学生就是被管理者
但是除了升学和毕业能见到校长，其他时间都没直接接触
也就是说管理者不需要和管理者直接接触
可是他连我的面都没见过，他是怎么做到的？
比如说我们评优评先都是根据绩点管理，我们寝室在哪里是根据学院和年级班级这些数据确定的。
管理的本质都是对数据做管理，而不是对人做管理
校长怎么拿到我们数据的？通过辅导员间接拿到的。
校长关心的是什么数据？我喜欢打麻将，我喜欢吃葡萄这种数据吗？显然不是，而是绩点，获奖情况等，学习相关的信息
校长是关心你吗？还是关心学生。关心的是学生

校长觉得一个学校几万人还是有点多，但是这个校长会写代码，讷能不能通过计算机把所有的同学管理起来呢？
虽然大家都不一样，但是属性都一样，只是里面的值不一样

于是我们为了描述一个学生定义了一个结构体，然后再根据需求把这些数据组织起来。这个组织称为数据结构
比如我们可以通过链表把这些结构体组织起来，方便删除。
也可以通过顺序表把这些结构体组织起来，方便查找。
具体选什么数据结构要看应用的场景。
从此对学生的管理变成对这个数据结构的增删查改
比如开除一个学生就是对数据结构的删除。
说回操作系统
我们有一个 设备的结构体来描述设备,我们可以把设备这个结构体通过链表组织起来，对设备的工作转化为对链表的增删查改。

struct dev
{int type;int manufacturer;...
};

校长类似操作系统不和硬件直接沟通

作为用户可以直接访问底层硬件吗？

类比我们去银行柜台取钱，银行可以直接让我们进后台取钱吗？他给我们提供了一个柜台窗口，因为它害怕群众里面有坏人，哪怕只有万分之一这也会对银行造成不小的伤害。
操作系统同理，害怕我们胡乱作用，伤害硬件，所以给了我们系统调用这一层。不能直接访问我们的数据结构，操作系统提供了大量的接口（系统调用）来满足用户的需求。好比柜台把用户隔离了起来但也满足了人们的需求。

进程

我们把一个程序加载到内存中 这个程序还不能叫进程
当我们要写了很多程序从磁盘加载到内存时，这么多代码和数据怎么管理起来了?
先描述再组织的思想，我们描述这个代码和数据 的优先级 进程id等等 这个用来描述的结构体称为PCB 然后这些PCB 通过链表的形式组装起来。 这样我们就引出了第一个结论什么是进程
进程是 PCB + 代码和数据
这个PCB相当于进程的简历

task_struct

tack_struct 是Linux下PCB的名称
它有以下内容

• 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。
• I／O状态信息: 包括显示的I/O请求,分配给进程的I／O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。

查看一个进程的pid

我们用的指令和我们编译后的代码都是可执行程序。通过file命令可以证明
都是excutable 可执行的

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep process

我们可以看到这个进程的pid是13346 为什么 还有grep 这个进程了？因为grep本身这个命令就是进程 只不过一瞬间执行完毕了而已
我们还可以通过getpid（）这个系统调用来查看一个进程的pid

#include<stdio.h>                                                        
#include<unistd.h>int main(){pid_t id = getpid(); while(1){printf("当前进程pid:%d",id);  printf("prcess is workig\n");  sleep(1);                      }           return 0;                       }             
~  

查看父进程

getppid（）

杀死一个进程

kill -9 进程id

创建一个进程

fork（）

当我们运行这个代码的时候 printf会被执行两次 因为fork创建了一个子进程

多了一个进程就是多了一个PCB

查看一个进程的PCB

ls /proc/进程名 exe指向的是绝对路径下的可执行程序
当一个程序正在运行时我们把这个可执行删了，这个程序还是在运行的，因为它以及从磁盘加载到内存了

通过cwd 我们可以看到进程所在的路径，我们能不能改掉这个路径呢？
可以的通过chdir

#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    
#include<sys/types.h>    
int main()    
{    chdir("/home/lj/111");    FILE *pf = fopen("log.txt","w");    (void)pf;    while(1)    {    printf("this process is working\n");    sleep(1);    }                                                                   return 0;    
}  

进程的状态

本质是task_struct 的一个变量（标志位）有哪些状态呢？

1. R运行状态(running):并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列中
2. S睡眠状态（sleeping）:意味着进程在等待某件事完成（这里的睡眠也叫浅睡眠，可以被中断）
3. D磁盘休眠状态（Disk sleep）：这个也叫不可中断状态
4. T停止状态：可以通过SIGSTOP信号给进程来停止另一进程，这个暂停的进程可以通过SIGCONT信号让进程继续运行。
5. X死亡状态（dead）：这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。

S睡眠 状态

int main()    
{    pid_t pid = getpid();    while(1)    {    printf("I am process id:%d\n",pid);    sleep(1);    }                                                               return 0;    
} 

监视小脚本

while :; do ps ajx| head -1 && ps ajx | grep testStatus | grep -v grep; sleep 1; done

为什么这个程序是S状态了？因为cpu的速度很快 它打印了大量的字符缓冲到缓冲区里，然后显示器慢慢的1秒1秒的显示，所以cpu大量处于空闲状态，等待显示器准备就绪
当我们把sleep去了 也是S状态因为cpu比外设的速度快太多了。
当我们把sleep 和 printf去掉之后 才是R状态 因为CPU不和外设打交道了。

t暂停状态

通过kill -l 可以看到kill命令的选项
kill-19 可以让一个进程停止

kill-18 可以让一个进程恢复
我们的调试也是让一个进程停止

D磁盘休眠状态

操作系统有权在内存不够的清空下杀死进程。 如果我们直接杀死进程 就会直接丢失1GB的数据，所以操作系统把这个进程标记为D状态不可杀死，等待这个IO结束。

磁盘休眠状态，又是又叫不可中断睡眠状态，通常会等待IO的结束

Z 僵尸状态

进程退出的时候不是直接释放的，需要父进程读取该进程PCB中的退出信息(知道事情是否办成功)，如果一直没有父进程读取那么该进程一直是僵尸状态。数据和代码释放了 但是PCB没有释放

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
void runchild()
{int cnt = 5;while(cnt){      printf("进程号：%d 我是子进程\n",getpid());sleep(1); cnt--;}   
}
int main()
{int ret = fork();if(ret == 0)runchild();}else{while(1){printf("进程号：%d 我是父进程\n",getpid());sleep(1);} }return 0;
}

当这段代码执行完毕子进程就会一直在僵尸状态，会造成内存泄漏！

孤儿进程

子进程运行期间父进程先退出了
子进程将会被1号进程“收养”
我们命令行启动的进程父亲是bash，会自动回收

特别的

下图是操作系统课上的进程状态 和Linux的进程状态有共性但是不完全一样

运行状态的理解

进程在运行队列里就称为运行状态

一个进程一旦持有cpu会一直运行到这个进程结束吗？

不会 因为操作系统会基于时间片轮转调度。
（单个cpu）多个进程以切换的方式进行调度，在同一个时间段内同时推进代码 则称为并发
进程切换中最重要的事情上下文数据的保护和恢复
（多个cpu）任何时间有多个进程真的同时运行，称为并行

阻塞状态的理解

阻塞态时，进程从运行队列里拿出来进入该设备的阻塞队列中。
唤醒：就是从阻塞队列放回运行队列
入队列的不是进程的代码和数据而是进程的task_struct

挂起态

比阻塞的时候 内存中的进程的代码和数据 为了缓解内存压力被复制磁盘上，然后内存中的代码和数据被释放。牺牲效率换空间

谢谢观看