【Linux】操作系统与进程

外设、CPU 之间的第三者：内存

        冯诺依曼体系结构：外设只与内存交互，CPU 只与内存交互。内存有什么作用？内存具有数据存储的能力，可以预装数据。在计算机中，每一部外设与 cpu 都遵守冯诺依曼体系结构。

问：从外设到 CPU，还要经过内存，岂不是更加慢了？

答：不是的，CPU要访问 1 条数据，外设直接给内存装载 100 条数据，这样就只有装载的时候那 1 次慢，其余的 99 次都是快。由于三者之间是独立的，在 CPU拿数据的同时，外设可以往内存中装载数据，互不干扰。

结论 1：站在硬件的角度和数据层面上，CPU 和内存打交道，外设和内存打交道；

结论 2：数据需要处理，必须预装到内存中，通过操作系统完成；

结论 3：程序要运行前，必须加载到内存上，为什么？因为可执行文件是在外设当中的，外设只与内存打交道；

结论 4：寄存器不仅是 CPU 有，其他外设和内存都有，数据交互都与寄存器相关；

结论 5：各种硬件单元间链接用的都是总线（IO总线、系统总线）；

结论 6：外设在加载到内存前，会发出电脉冲（控制信号）给 CPU，随后 CPU 告诉内存提取提取数据。

 操作系统的上下关系：

        操作系统是一款管理软硬件资源的软件，有进程管理、驱动管理、内存管理、文件系统。目的是为了给用户提供一个良好的执行环境。

OS 与用户之间沟通：

        因为操作系统要保障自身安全，用户不能直接访问 OS ，所以封装了许多系统调用接口，而每个接口都用库（libc）封装起来。

OS 与外设之间沟通：

        当操作系统需要拿数据时，会向驱动发送信号，而外设通过驱动转换返回给操作系统，期间操作系统和外设没有直接交往，转换数据一般通过寄存器转换。

        因为自己完成外设的成本太高（因为外设太多且升级改款），所以单独创建出驱动层，让操作系统和硬件进行解耦。大多外设厂家自己会有驱动，连接电脑时会预装到内存，断开后退出。

操作系统如何管理进程：

        什么叫进程？一个可执行程序从外设中，加载的内存上，就成为了进程，简称跑起来了。

        操作系统如何管理内存呢？当一个可执行程序加载到内存上时，会创建相对应的 进程控制块：PCB（在 Linux 中叫做 task_struct ），操作系统把每一个进程所对应的 task_struct 用链表的方式连接起来，所以说，操作系统对进程的管理，就是对链表的增删查改。

        也可以说操作系统对进程的管理是：先描述，在组织！！！操作系统先拿到数据，在描述结构体属性信息，构建 PCB ，进而对 PCB 进行管理。

查看进程代码：

ps aux | head -1 && grep -v grep | grep myproc

// 显示更多 ajx

        所以，创建进程就是创建 PCB，插入到链表中，删除进程就是移除 PCB，从链表移开（ PCB 会有一个 head 作为头节点）。

进程控制块：PCB 、task_struck        

        PCB 中包含了哪些属性信息呢：

{         1：pid、ppid 唯一标识符

          2：nice 优先级

          3：mm_struct 进程空间地址，找到代码和数据的结构体指针

          4：时间片

          5：上下文信息

          6：连接信息

          。。。        }

pid：

首先是 pid ：pid 是表示该进程的唯一标识符，而 ppid 是该进程的父进程的唯一标识符。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
// 获取进程ID 
getpid();
getppid();

如果要杀掉进程，可以输入：kill -9 id 终止进程，每个程序最终的父进程都是 -bash ，它是登录时创建的。

状态：

进程有多种状态：S 代表休眠 、R 代表运行等等，没有 + 号说明进程在后台。

// 让进程变成后台进程
./myproc &

问：为什么有时候有的死循环是 S+ 休眠状态？

答：OS 要刷新到显示器上，因为外设的速度太慢（显示器有行刷新），OS 的速度太快，虽然显示器在刷新，感觉在运行中，但其实大部分时间 OS 都是在休眠，以免消耗资源。

上下文指令：

        指令寄存器保存的是下一行的指令地址，每一次 CPU 执行下一行命令都会通过 eip 拿，不管是遇到循环指令或者进程临时切换， eip 都会记着下一条指令，而 CPU 做的 3 件事：取指令->分析指令->执行指令，CPU向 eip 取指令再执行，同时 eip 记录下一条指令。        

        1、每个进程都有自己的 “时间片” ，都是基于时间片轮转的。当一个进程正在执行时，时间片结束，如果某行代码数据的计算还在 CPU 中，没来得及返回，那么它会怎么办？

        当进程切换时，寄存器的数据会保存到 task_struck 中（不太准确）。

        2 、CPU 内部只有一套寄存器，内存会产生一份临时拷贝到 CPU 的寄存器中，而当前保存的中间数据，就叫做上下文数据。

        3、进程被切换，可能在任何时间点，原因是时间片到了，或者有更高优先级的进程抢占。

        4、对进程的管理就是对链表的增删查改（PCB）。

优先级：

        进程之间各有优先级，如何区分谁的更高谁的更低，进程会有一个默认 80 的 PRI：它所进程可悲执行的优先级，越小越早执行。而为了修正 PRI ，可以通过修改优先级的修正系数 nice 值， nice 值有 40 个级别，区间是 [ -20, 19 ]。

如何修改优先级：

        输入指令 top -> r -> 进程 PID -> nice 值 -> q退出，ps -la 可查看运行进程的相关信息。注意的是，每次修改都会以老的 PRI 计算，如果你是 80 ，那就每次对 80 进行修正。

环境变量：

        为什么输入命令时，可以直接执行命令，列如：执行 ls 命令，其实 ls 存在目录 /bin/ls 下，为何不用输入地址执行？就是因为 ls 是一种命令行参数。

echo $PATH ：显示环境变量路径

        如果想让可执行文件直接不带 ./ 就可以执行，就 sudo cp -f exe文件 /usr/bin/ ，但是不建议这样做，因为会污染环境池，就像电脑里不注释的文件夹，久了都不清楚是什么文件，不敢删除。

所以建议用另一种方法：将自己路径导到 PATH 中，不过每次重启都会重新刷新不见。

输入命令 ：

 export PATH=$PATH:/home/username/所在地址

家目录显示：

$HOME

显示当前所支持的环境变量信息：

env

显示所有变量，包括环境变量：

set  // 本地变量 VAL=100 不在环境变量中，需要 export
unset

其实，main 函数是可以带参的，完整的是：

int main(int argc, char* argv[], char* envp[])
//命令行参数个数  //命令行列表  //环境变量

        环境变量的组织方式是一个 char 类型的指针数组，以 NULL 结尾，argc、argv[] 是 C 语言设计的，是命令行参数，与系统无关，envp[] 才是系统决定的，它们都是环境变量。

        环境变量是一个系统级别的全局变量，bash 之下都可以获取，会给 main 传参（ ， ， envp），只传环境变量，不传本地变量。

查看命令行参数以及环境变量的 3 种方法：

    // 3/
    //printf("%s\n ",getenv("MYVAL"));
    

    // 2/
    //int i = 0;
    //extern char** environ;
    //while (environ[i])
    //{
    //    printf("environ[%d] : %s\n", i, environ[i]);
    //    i++;
    //}

    // 1/
    //int i = 0;
    //while (envp[i]){
    //    printf("envp[%d] : %s\n", i, envp[i]);
    //    i++;
    //}

    // 命令行参数
    //if (argc == 2)
    //{
    //    if (strcmp(argv[1], "-a") == 0){
    //        printf("-a -a\n");
    //    }
    //    else if (strcmp(argv[1], "-b") == 0){
    //        printf("-b -b\n");
    //    }
    //    else{
    //        printf("is else\n");
    //    }
    //}
    //else{
    //    printf("no no\n");
    //}

为什么要有环境变量？为了更好的定位，在哪，是谁等等。