假设 CPU 直接访问磁盘，也就是如下图，那么它的效率可太低了。假设这里 CPU 是速率是纳秒级别的，则磁盘是速率毫秒级别的，这两个之间的速率就相差了 100 万倍，（1s=10^3ms(毫秒)=10^6μs(微秒)=10^9ns(纳秒)），当一个快的设备和一个慢的设备一起协同时，最终的效率肯定是以慢的设备为主。所以硬盘的存在严重拖慢了 CPU 的速率，整个计算机体系的效率就一定会被拖累。

所以，这时候就需要有一个介质来联通 CPU 和硬盘之间的通道，这个介质就是冯诺依曼体系结构中的存储器，也就是我们的内存。这下理解冯诺依曼体系结构为什么这么设计了吧。

有了内存的存在，计算机的整体效率就会大大的提高。依旧假设这里 CPU 是速率是纳秒级别的，则磁盘是速率毫秒级别的（1s=10^3ms(毫秒)=10^6μs(微秒)=10^9ns(纳秒)，CPU 与内存的速率就只是相差了 1000 倍左右，内存与硬盘之间的速率也是差了 1000 倍左右，CPU 只与内存进行交互，不与外设（磁盘之类）进行交互，这里计算机的短板就不再是磁盘了，所以计算机的整体速率就会大大提升。

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那有人又问了，既然这个存储器（内存）这么好，为什么不把计算机的磁盘内存全部换成内存或者是寄存器？

首先明确内存是一直需要通电的，没有电的供应它里面存储的所有数据都会丢失，而像磁盘之类的没电了数据依旧存储在磁盘里面，放上个十年也没有事。第二，要明白内存是要钱的，越靠近 CPU 的内存价格越昂贵。假设把计算机的磁盘内存全部换成内存或寄存器，从技术角度可以的，但是生产出来的计算机就会特别昂贵，十几万起步那种，这种计算机的价格普通人接受不了，这种产品就不会进行大量的传播。要知道：凡是被广泛传播的产品，它的价格一定是便宜的，质量是可以的，价格普通人可以接受。就好比几千万的车，你身边的人为什么不开呢？原因就是它价格昂贵，普通人接受不了，那么这种产品就不会被大范围的传播。

而冯诺依曼的这种体系结构通过添加一块内存，几乎可以达到和你全部换成内存的计算机速率一致，还能以较低的成本生产出来，这样的产品就会被世界范围内的人所接受。换句话说，就是因为它便宜，你才愿意用它、买得起它，冯诺依曼体系结构就是这个道理。

1.3?往下要明确几点

CPU 读取数据（数据+代码），都是要从内存读取。站在数据的角度我们认为 CPU 不和外设直接进行交互。
CPU 要处理数据，要先将外设的数据加载到内存。站在数据的角度，外设直接和内存打交道。
我们把数据搬到内存的过程叫做 input。CPU 完成数据的运算，不能直接把计算结果直接打到外设上，而是把计算结果刷新到内存中，再有内存把数据刷新到外设中。内存把数据刷新到外设中这个过程叫做 output
我们将数据输入再到输出这个过程就叫做 IO
程序要运行，必须要加载到内存中。程序就是文件，而文件就在磁盘中。
那为什么程序要运行必须要加载到内存中呢？因为冯诺依曼体系结构的特点决定的！！

这里暂且简单认识，后面会详细讲。

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

1.4?冯诺依曼实例

????????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。如果是在qq上发送文件呢？(注意这里的计算机都遵循冯 ? 诺依曼体系结构，且这里不谈网络，不考虑细节，只谈数据流向）

（1）假设你给qq朋友发送 hello，你是发送数据的一端，请解释数据是如何流向的？（不考虑细节，只谈数据流向）

解释：你此时从键盘上输入 “hello”，此时 “hello” 会回显到你的显示器上（不考虑细节），此时“hello” 会储存在寄存器（内存）中，然后内存传给 CPU ，经过 CPU 处理写回你的内存里，然后由内存刷新到外设（这里不在是磁盘，而是网卡），然后上传到网络上，经过网络你朋友的设备中的输入设备（网卡）先识别到这条消息，传到内存，内存再传给 CPU 计算，计算完成写回内存里，再由内存刷新到你朋友的输出设备（这里是显示屏），到这一条数据的流向就完成了。

（2）发送的是文件呢？

文件依旧是数据，与上面类似，不在解释。计算机的数据流向基本都是这样的，进行类比即可理解

（3）数据为什么这么流向？

是由你的硬件和冯诺依曼体系结构决定的?

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二、操作系统（Operating System）

2.1?操作系统概念

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，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）

2.2 为什么要有操作系统

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

总的来说就一句话：对下管理好所有的软硬件，对上给用户提供一个稳定高效的运行环境。

2.3 计算机体系及操作系统的定位

计算机体系：

?操作系统的定位：

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

那问题来了，什么是“管理”呢，如何理解“管理”？?

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2.4?如何理解 "管理"

2.4.1 学校例子（用于理解概念）

????????现实中我们做事情无非是 a、做决策 b、做执行。比如你想吃一碗粉，首先你进行做决策去哪家餐馆，做了决定后你走向你想去的餐馆，走这个过程就是做执行。

假设在学校里一般有这三种角色（进行了简化）

校长（管理者）
辅导员（执行者）
学生（被管理者）

这里还要明白一点：管理者和被管理者可以不直接沟通。比如，你的大学校长（管理者）没有和你直接见面，却可以随时管理你。

比如拿奖学金与否、挂科与否，表现如何，学生信息如何，校长都可以随时管理。比如说评选奖学金，校长在系统中筛选好某系某级综合成绩排名前 3 的学生来发奖学金，这时校长把 3 位同学的辅导员叫过来，并要求开一个表彰大会来奖励 3 位同学，然后辅导员就开始着手执行工作。再比如，校长要开除一名学生，则校长只要知道这个学生挂了多少科，有没有达到学校的标准，没达到标准就可以开除他了，开除就找辅导员执行这项工作。

校长为什么能管理你，为什么连你的面都没见过就能管理你，因为你的个人信息在学校的系统里面，也就是说校长管理学生的本质是通过 “ 数据 ” 来进行管理的。

这说明：拿到被管理者的核心数据，来进行支持管理决策，这才是核心。

这里的校长（管理员）——就相当于操作系统
辅导员（执行者）——相当于驱动程序
学生（被管理者）——相当于软硬件

上述说明：管理是对管理对象的数据的管理

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理解了上面，那又有一个问题来了，校长是如何拿到数据并对它进行管理呢？

假设只有一个学生，这个学生产生的各种数据，校长都可以随便对这些进行管理。

那如果有5万学生呢，这些学生每天产生的数据全部扔给校长，校长又怎么管理呢？直接对数据管理明显就是不可能，这种无序的数据是没有意义的。校长就定义一个结构体，这个结构体包含了一名学生的所有信息，有多少学生就定义这个结构体数组有多大。

创建这个结构体就是对被管理者进行描述，再根据描述类型定义对象，可以把对象组织成数组，那么对学生数据的管理工作就变成了对数组的增删查改。核心就是：先描述，再组织（先描述就是用C语言用结构体进行封装，C++的类就是一切皆对象）

如果把数组改成链表再组织起来，对学生的管理就转化成了对链表的增删查改，?如果把数组改成二叉树，红黑树...等等各种数据结构再组织起来，就变成了对某种数据结构的管理。

管理的核心思路就是：先描述，再组织（简称六字真言）

同理，操作系统对软硬件的管理，就变成了对数据结构的管理，反过来也说明操作系统内部一定存在大量的数据结构和算法。

这里我解释有点绕，水平有限，hhh...?

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2.4.2 银行例子（类比系统）

?假设有一个银行系统，类比如上。

银行工作的时候，整个封闭的银行就放出了几个柜台，供业务工作使用，要办理业务的人来了就到柜台去办理。那为什么银行给你提供服务是以柜台窗口的形式进行？为什么柜台前还有一块很厚的玻璃？答案是：不相信你呗。这也说明银行这套体系预先把你当坏人，把所有人都预先当做坏人，有这种保护措施同时也将银行的风险降到了最低，还能给银行提供了一个稳定安全的服务。

进行类比，如果计算机把操作系统中的各种东西（内存管理，文件系统，进程管理，驱动管理...等等）暴露给用户，就好比银行门户大开，工作人员没有玻璃阻隔跟你面对面交流，银行的钱直接就放到桌面上，上层的人（客户）想拿钱就随时拿，这就给银行带来很大危险（随时遭受抢劫..）。这说明不把操作系统暴露给用户就是为了保证操作系统的安全性，操作系统也把所有人当做坏人。

银行用户有需求想办理业务，银行提供各种服务，用户就直接去柜台办理。类比，计算机用户也需要办理业务，操作系统也需要给用户提供各种服务，提供的服务也是通过柜台来办理，这里的柜台就是各种系统接口（system call）

这里的各种系统接口就是操作系统提供的各种函数。就如LInux是用C语言写的，系统接口的本质：就是用C语言提供的函数（操作系统相关的，不是我们C语言的库函数）。我们把这种系统接口（system call）就叫做系统调用。

到此结束，总结一下：

操作系统不信任任何人
对外提供服务是以接口的形式提供服务
只能使用系统接口访问操作系统，其他任何方式都不行

直接使用操作系统的接口成本会比较高，所有在操作系统之上还提供了一个服务层，这个服务层就好比 shell外壳、图形化界面，这个服务层用于方便小白用户使用操作系统。操作系统之上还提供了一个第三方库，第三方库就是对系统接口的封装，如C库、C++库...，第三方库方便开发人员使用。

2.5?系统调用和库函数概念（总结）

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

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?三、进程（process）

3.1?基本概念

在Windows下我们查看进程在任务管理器中

我们自己启动一个软件，本质上就是启动了一个进程。
在 Linux 下，执行一个命令，运行一个程序 ./xxx ，其实就是在系统层面上创建了一个进程
一个被加载到内存中的程序，就已经不能叫做程序了，是叫一个进程

操作系统里面是存在大量进程的，也可以同时加载多个进程，Linux 也是如此。那存在这些大量的进程要不要被管理呢？答案是必须的

Linux 是如何管理大量的进程的呢？

答案是六字真言：先描述，再组织

?程序加载到了内存，操作系统该怎么调度呢？操作系统怎么知道哪个执行完了，怎么知道哪个的优先级需要调整，怎么知道哪个执行到一半需要切换？操作系统完全不知道。

操作系统目前没有能力管理这些进程，因为这些加载进来的程序只有代码和数据，没有任何描述自身结构，所以操作系统需要对进程管理就需要对进程先描述，再组织管理。

先描述：操作系统为了管理进程，对加载到内存的每一个程序，也就是对每一个进程申请了一个PCB的结构体，（PCB下面讲），每一个PCB结构体都保存了每一个进程的所有属性

什么是属性呢？

C++中的类一切皆对象，C语言的?struct 封装，C/C++对一个事物的封装一定包含了该事物的所有属性。

我们人认识世界，是通过“属性”来认识的，比如我对一个事物进行描述：有一个事物他会汪汪叫，会帮人们看家护院，这时我们潜意识就会想到狗，是不是呢？只要是被人认识的东西，就一定会被人抽象换成各种属性，然后就能用计算机语言描述出来。所以PCB这个结构体一定包含了进程所有的属性

那问题又来了，属性是数据吗？

答案是属性也是数据。

属性和程序内的代码和数据有关系吗？

其实它是两套概念，曾经在Linux 指令中讲过：文件 = 内容+属性，可执行程序本质就是一个文件，把可执行程序加载到内存中本质只是加载了可执行程序的内容，加载到内存里就叫进程而不再叫程序了，对进程管理还需要大量的数据结构，大量的数据结构叫做PCB结构，用PCB结构来描述进程所有的属性，其中PCB结构的属性和进程所有的内容是没有太大关系的，这个PCB结构体的属性包括：这个进程在哪里，是谁启动的，什么时间启动的，有没有唯一的标识，有没有唯一的ID，优先级是什么....这就是进程的属性

因为PCB结构，一个个PCB结构体连接起来，所以对进程的管理到最后，变成了对PCB结构体链表的增删查改。

每加载进来一个程序，也就是每增加一个进程，都会添加一个新的PCB结构体

到最后解释一下，什么是进程呢？

进程 = 对应的代码和数组 + 进程对应的PCB结构?

为什么存在PCB结构体？

操作系统要管理进程，要管理进程就要：先描述，再组织?

什么是PCB结构体？

没有谈，下面解释?

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3.2?描述进程 - PCB

什么是PCB？

课本上称之为PCB（process control block），PCB就是一个结构体，不同的操作系统中PCB的名字叫法不同。

在 Linux 操作系统下的PCB结构体叫做是: task_struct

task_struct 跟PCB的关系就跟王婆和媒婆的关系一样，王婆是一个具体的媒婆，task_struct 也是一个具体的PCB结构体

3.2.1?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

?3.2.2?task_ struct内容分类

这里的简单了解，先有个概念，后面详细讲

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

3.3 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，这个链表是以双链表呈现

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3.4 查看进程

默认查看自己终端的进程

ps

?查看系统所有的进程

ps axj

这里我写了个死循环，方便观察进程

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
  while(1)
  {
    printf("hello Linux\n");
    sleep(2);
  }
  return 0;
}

运行程序

?查看我们想要查看的程序

ps axj | grep '查看进程名'
//例如：
ps axj | grep 'mytest'

把头部标签带上

ps axj | head -1 && ps axj | grep 'mytest'

?其中，PID就是进程ID（process ID），其他后面解释。

?那有人好奇了，你说 10983 是 mytest 的进程ID，那下面的13696 进程又是什么？

别忘了你执行了 grep 命令，一个命令的执行也是一个进程，所以 13696 进程是 grep 命令的进程ID

如果结束 mytest 这个进程，当然你查就查不到啦

?进程的信息可以通过 /proc 系统文件夹查看，把所有进程以文件系统的形式展示

ls /proc

?查看单个进程详细信息

ls /proc/[进程ID] -al
//例如
ls /proc/[20190] -al

?其中的 cwd 为当前工作目录（每个进程的都会有一个属性，来保存自己所在的工作路径），exe 则是该进程的可执行程序所处的位置

??查看单个进程简略信息（所有属性），上面是详细的，这里简略

ls /proc/进程ID

?要查看更多 ps 选项用法，直接 man 就行了

man ps

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3.5?通过系统调用获取进程标示符

3.5.1?查看进程ID（PID）

通过系统调用获取 PID 标示符为：getpid

man查看一下详细信息，其中的头文件与C语言无关，pid_t 是无符号整数，相当于用于定义一个变量的类型，直接使用它即可（如：定义一个变量id，pit_t? id = 0）

?修改代码，通过系统调用查看pid

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

int main()
{
  while(1)
  {
    printf("pid: %d\n", getpid());
    printf("hello Linux\n");
    sleep(2);
  }
  return 0;
}

运行一下，可以查看PID

?进行比对，命令行与系统调用的PID一样?

除了在自己的终端关闭进程，在别的终端也可以杀掉进程，命令 kill，-9为发送九号信号（暂且不讲，后面学）

kill -9 [PID]
//例如
kill -9 18530

回车后，就发现右边终端的进程被杀掉了?

?每个进程都会有自己独立的 PID，不会出现重复的PID

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3.5.2?查看父进程ID（PPID）

进程是有父子关系的，PID 的父进程叫做 PPID

?通过系统调用获取父进程ID标示符为：getppid

同样 man查看一下详细信息，其中的头文件与C语言无关，pid_t 是无符号整数，直接使用它即可

??修改代码，通过系统调用查看ppid

?进行比对，一致

?父进程PPID永远为 bash，子进程PID都为bash 创建的?。类比：父进程相当于王婆，子进程相当于王婆手下的一个实习生

比如，把自己终端的 bash （PPID）杀掉，自己所处的终端就不能执行命令了，每个终端都有自己的 bash，为shell 外壳程序创建

?这里我在自己的终端杀掉这个bash终端它直接强制退出了，我就无法演示了。如果在另一个终端杀掉自己终端的bash，之后自己终端所有命令都无法执行。

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四、通过系统调用创建进程 - fork 初识

4.1 创建子进程 - fork?

man 查看一下 fork 函数，头文件是<unistd.h>，fork的作用是创建一个子进程（child process）

?fork 的返回值有两个

1、创建子进程失败返回 -1 2、成功：a.给父进程返回子进程的PID b.给子进程返回 0

?先记住 fork 有两个返回值

???----------------我是分割线---------------?

4.2 测试 fork

测试代码

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

int main()
{
  printf("I am parent process\n");

  fork();

  printf("you can see me\n");

  sleep(2);

  return 0;
}

把 fork 注释掉，运行结果，只执行一次 printf?

不注释 fork ，运行结果，?printf 被执行了两次?

?打印了两次，这是为什么？它只有一条语句，可是在 fork 之后被执行了两次，这是怎么回事？

?其实是 fork 函数的原因，fore 给进程创建了一个子进程，fork 之后的代码是父子共享的，父进程和子进程各执行一次打印?

再进行测试

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

int main()
{
  printf("I am parent process\n");
  pid_t ret = fork();
  printf("ret: %d\n", ret);

  sleep(1);

  return 0;
}

结果打印了两次，一个变量怎么可能是两个值？

其实是创建子进程成功：a.给父进程返回子进程的PID b.给子进程返回 0（其他后面解释）

在以前，学C/C++的时候，我们没见过两个死循环同时执行，也没见过 if 和 else 同时执行

测试代码

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

int main()
{
  pid_t id = fork();
  if(id < 0)
  {
    //创建子进程失败
    perror("fork");
  }
  else if(id == 0)
  {
    //child process(task)
    while(1)
    {
      printf("I am child, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
      sleep(1);
    }
  }
  else
  {
    while(1)
    {
      //parent process
      printf("I am parent, pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
      sleep(1);
    }
  }

  return 0;
}

fork 之后有两个不同的执行流?，两个进程的返回值不同从而决定了执行不同条件的代码，子进程的ppid 是父进程的 PID