目录
冯诺依曼体系结构
操作系统
系统调用和库函数概念
进程
描述进程-PCB
组织进程
理解进程
查看进程
通过系统调用获取进程标示符
通过系统调用创建进程-fork
进程状态
进程状态查看
孤儿进程
进程优先级
查看系统进程
PRI and NI
PRI vs NI
用top命令更改已存在进程的nice
其他概念
环境变量
常见环境变量
查看环境变量方法
和环境变量相关的命令
环境变量的组织方式
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。
- 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。
总结:
- CPU读取数据(数据+代码),都是要从内存中读取。站在数据的角度,我们认为CPU不和外设直接交互。
- cpu要处理数据,需要先将外设中的数据,加载到内存。站在数据的角度,外设直接只和内存打交道。
- 程序要运行,必须先被加载到内存中,为什么?
- 因为体系结构的特点决定的!
操作系统
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)
设计OS的目的:
- 与硬件交互,管理所有的软硬件资源
- 为用户程序(应用程序)提供一个良好的执行环境
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
如何理解 "管理":
- 管理的例子
- 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
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
进程
- 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
描述进程-PCB
- 进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中,可以理解为进程属性的集合。
- 课本上称之为PCB(process control block), Linux操作系统下的PCB是: task_struct
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。
task_ struct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/ 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。
- 其他信息
组织进程
可以在内核源代码里找到它。所有运行在系统里的进程都以task_struct链表的形式存在内核里。
理解进程
- 其实,我们自已启动一个软件,本质其实就是启动了一个进程。
- 在Linux在,运行一条命令,./XXX,运行的时候,其实就是在系统层面创建了一个进程。
- Linux是可以同时加载多个程序的,Linux是可能同时存在大量的进程在系统中的(0S,内存)。
- Linux系统要不要管理进程呢?必须的
- Linux系统是如何管理大量的进程的呢?先描述,在组织
- 所以就有了描述进程的PCB结构体
- 对进程的管理,变成了对进程PCB结构体链表的增删改查、
- 属性是数据吗?属性和程序内的代码和数据有关系吗?文件 =内容+属性
- 什么叫做进程:进程=对应的代码和数据+进程对应的PCB结构体。
查看进程
进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看
如:要获取PID为1的进程信息,你需要查看 /proc/1 这个文件夹。
大多数进程信息同样可以使用top和ps这些用户级工具来获取
通过系统调用获取进程标示符
- 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;
}
通过系统调用创建进程-fork
- 运行man fork来认识fork
- fork 有两个返回值
- 父子进程代码共享,数据各自开辟一份空间,私有一份(采用写时拷贝)
- fork后通常要用 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;
}
进程状态
- R 运行状态(running): 并不意味着进程一定在运行中,它表明进程不是在运行中就是在运行队列里
- S 睡眠状态(sleeping):意味着进程在等待事件的完成(这里叫做可中断睡眠)
- D 磁盘休眠状态(disk sleep):叫做不可中断睡眠,在这个状态下的进程通常会等待IO的结束
- T 停止状态(stopped):可通过发送SIGSTOP 信号来停止 T 进程。这个被暂停的 T 进程可以通过发送SIGCONT信号让进程继续运行
- X 死亡状态(dead) :这个状态只是一个返回状态,不会在任务列表中看到这个状态
- Z 僵尸进程(zombie):当进程退出且父进程没有读取到子进程的退出码的时候就会出现,僵尸进程会以终止状态保存在进程表中,并且会一致等待父进程读取退出状态码。所以子进程退出,父进程还在运行,但父进程没有读取子进程的进程状态,子进程就会进入Z状态
- 阻塞:等待非CPU资源就绪,阻塞状态
- 挂起:当内存不足的时候,OS通过适当的置换进程的代码和数据到磁盘,进程的状态就叫做挂起
下面创建一个维持25s的僵尸进程:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;}else if(id > 0){ //parentprintf("parent[%d] is sleeping...\n", getpid());sleep(30);}else{printf("child[%d] is begin Z...\n", getpid());sleep(5);exit(EXIT_SUCCESS);}return 0;
}
僵尸进程的危害:
- 进程的退出状态必须被维持下去,因为他要告诉他的父进程,他交给子进程的任务完成的怎么样了。这样如果父进程一直不去读取子进程状态的话,那么子进程就会一直处于僵尸状态
- 进程退出状态也需要用数据维护,也属于进程的基本信息,所以在task_struct(PCB)中,如果Z状态一直不结束,PCB就要一直进行维护
- 所以如果一个父进程创建的很多子进程但是却不回收,就会造成资源的浪费,因为数据结构的对象本身就要占用内存
- 综上僵尸进程会导致内存泄漏
进程状态查看
ps aux / ps axj 命令
孤儿进程
- 父进程如果提前退出,那么子进程后退出,进入Z之后,那该如何处理呢?
- 父进程先退出,子进程就称之为“孤儿进程”
- 孤儿进程被1号init进程领养,当然要有init进程回收喽。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{pid_t id = fork();if (id < 0){perror("fork");return 1;}else if (id == 0){ // childprintf("I am child, pid : %d\n", getpid());sleep(10);}else{ // parentprintf("I am parent, pid: %d\n", getpid());sleep(3);exit(0);}return 0;
}
进程优先级
- cpu资源分配的先后顺序,就是指进程的优先权(priority)。
- 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用,可以改善系统性能。
- 还可以把进程运行到指定的CPU上,这样一来,把不重要的进程安排到某个CPU,可以大大改善系统整体性能
查看系统进程
在linux或者unix系统中,用ps –l命令则会类似输出以下几个内容:
我们很容易注意到其中的几个重要信息,有下:
- UID : 代表执行者的身份
- PID : 代表这个进程的代号
- PPID :代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的,亦即父进程的代号
- PRI :代表这个进程可被执行的优先级,其值越小越早被执行
- NI :代表这个进程的nice值
PRI and NI
- PRI也还是比较好理解的,即进程的优先级,或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序,此值越小进程的优先级别越高
- 那NI呢?就是我们所要说的nice值了,其表示进程可被执行的优先级的修正数值
- PRI值越小越快被执行,那么加入nice值后,将会使得PRI变为: PRI(new)=PRI(old)+nice
- 这样,当nice值为负值的时候,那么该程序将会优先级值将变小,即其优先级会变高,则其越快被执行
- 所以,调整进程优先级,在Linux下,就是调整进程nice值
- nice其取值范围是-20至19,一共40个级别。
PRI vs NI
- 需要强调一点的是,进程的nice值不是进程的优先级,他们不是一个概念,但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
- 可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据
用top命令更改已存在进程的nice
- top
- 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值
其他概念
- 竞争性: 系统进程数目众多,而CPU资源只有少量,甚至1个,所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务,更合理竞争相关资源,便具有了优先级
- 独立性: 多进程运行,需要独享各种资源,多进程运行期间互不干扰
- 并行: 多个进程在多个CPU下分别,同时进行运行,这称之为并行
- 并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式,在一段时间之内,让多个进程都得以推进,称之为并发
环境变量
- 环境变量(environment variables)一般是指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数
- 如:我们在编写C/C++代码的时候,在链接的时候,从来不知道我们的所链接的动态静态库在哪里,但是照样可以链接成功,生成可执行程序,原因就是有相关环境变量帮助编译器进行查找。
- 环境变量通常具有某些特殊用途,还有在系统当中通常具有全局特性
常见环境变量
- PATH : 指定命令的搜索路径
- HOME : 指定用户的主工作目录(即用户登陆到Linux系统中时,默认的目录)
- SHELL : 当前Shell,它的值通常是/bin/bash。
查看环境变量方法
echo $NAME //NAME:你的环境变量名称
和环境变量相关的命令
- 1. echo: 显示某个环境变量值
- 2. export: 设置一个新的环境变量
- 3. env: 显示所有环境变量
- 4. unset: 清除环境变量
- 5. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量
环境变量的组织方式
每个程序都会收到一张环境表,环境表是一个字符指针数组,每个指针指向一个以’\0’结尾的环境字符串。