操作系统和进程简述

1. 冯诺依曼体系结构

大部分计算机都遵守冯诺依曼体系

我们所认识的计算机, 都是由一个个硬件结构组成的
· 输入设备: 如鼠标、键盘、扫描仪等
· 中央处理器（CPU）：包含运算器和控制器等
· 输出设备： 如显示器、打印机等

注意： 某些设备在不同场景中，可能表现为输入设备，也可能表现为输出设备。比如硬盘、VR设备里面的头盔(接受数据展示在我们的视图中, 把我们看向哪个地方当成数据发送到CPU)。输入输出由于视角不同，表现也可能不同。

关于冯诺依曼

（1）这里的存储器指的是内存。
（2）不考虑缓存的情况，这里的 CPU 只能对内存进行读写，不能访问我外设（输入或输出设备）
（3）外设要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取

总的来说：所有的设备都只能和内存打交道！！

关于 CPU（中央处理器）
如果 CPU 是公司
（1）控制器：公司的老板，领导
（2）运算器：公司的员工，干活的人

CPU 执行的指令类型：
（1）逻辑处理：比如程序中的逻辑运算符
（2）计算型：比如程序中的 n++
（3）数据操作: 数据拷贝、IO

2. 操作系统

（1）任何一个计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）；操作系统是一款纯正的搞管理的软件。

（2）操作系统的管理范畴
（系统内核）
a. 进程管理: 通过一个 PCB 的结构体来保存进程信息, 包括 PID(进程启动以后系统分配)、进程名称、进程状态等等。
b. 内存管理
c. 驱动管理: 通过驱动程序间接的管理计算机硬件(可以有虚拟的驱动程序)
d. 统计信息: 系统可以统计系统资源信息, 如: 内存、CPU、网络等

（系统函数库）
系统级别的接口，系统提供出来的一些用户程序可以调用的功能。

(3) 设计操作系统 (OS) 的目的
a. 与硬件交互, 管理所有的软硬件资源(对内且对下)
b. 为应用程序(用户程序)提供一个良好的执行环境(对外且对上)

用户程序 => 调用系统接口 => 系统接口内部代码的执行 => 调用某个驱动程序来让硬件干活 => 硬件工作

3. 进程

3.1 初识进程

对操作系统来说，一个任务就是一个进程。

(1) 程序和进程的区别:
程序：静态的可执行的命令。某些文件不属于程序。（静态的）
进程：程序运行以后，有操作系统管理。（运行的）

比如：
xxx.md 用 Typora 程序打开, 相当于是 Topora 程序运行变成 Topora 进程, 进程来处理文件(作为一个参数传入进程的)。Topora 是把文件内容读取渲染出来，并展示给我们看。
再比如：
.java 文件和 .class 文件属于程序吗?
Java 代码编译: javac xxx.java -------- javac 由程序变为进程来执行编译操作, xxx.java 作为参数传入进程中。
Java 代码运行：java xxx ------------ java 作为程序/进程, xxx 作为参数, 进程是查找这个参数的 .class 文件。

（2）程序，内存和进程之间的关系

当进程已经加载资源到内存中以后， 在不关闭进程的情况下，修改程序，程序不会生效。
例：

3.2 时间片

操作系统如：Windows，Linux，Mac OS X等， 都是支持 “多任务” 的操作系统，即是操作系统可以同时运行多个任务。

操作系统的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式，即一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，每个人物轮流执行。
任务执行的一小段时间叫时间片，任务正在执行的状态叫运行状态，任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务，被暂停的任务就处于就绪状态等待下一个属于他的时间片的到来。
由于 CPU 执行效率特别高，时间片非常短，在各个任务间快速的切换，给人的感觉就是所有的任务都在同时执行，这就是常说的"假同时"，也就是并发。

3.3 并发与并行

并发：多个进程在一个 CPU 下，在一个时间段内，采用时间片轮转的方式，在不同的进程间切换，叫并发。
并行：多个进程，在多个 CPU 下，在一个时间点上，分别同时运行，叫并行。（可以称为真同时）

例如：
并发： 在单核 CPU 下同时运行微信，IDEA，优快云, 这三个进程在某个时间段内, 是按照时间片轮转的方式不停的切换执行, 这就叫并发式执行。
并行：在多核 CPU 下同时运行微信，IDEA，优快云，在某一个时间点，CPU1 执行 微信的代码指令，CPU2 执行 IDEA 的代码指令， CPU3 执行 优快云 的代码指令，这就叫并行。

3.4 内核态和用户态

一般的操作系统对执行权限进行了分级: 用户态和内核态
操作系统内核作为直接控制硬件设备的底层软件，权限最高，称为内核态。
用户程序的权限最低，称为用户态。

3.5 进程中的上下文

上下文简单来说就是一个环境，进程在时间片轮转切换的时候，因为每个进程的运行环境都不同，所以就涉及到了转换前后上下文环境的切换。（也就是在一个进程执行的时候，CPU 中所有寄存器中的值、进程中的状态以及堆栈上的内容。）

在进程切换时候，要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时候的状态。

在这个环境中，时间片轮转调度时：
进程1 ====> 进程2: 上文就是进程1的环境信息, 下文就是进程2的环境信息。切换完成后，系统保存上下文的信息。
进程3 ====> 进程1：系统调度回到进程1要恢复之前的上下文信息，使用之前保存的进程1的环境信息，并恢复。

3.6 进程的状态

就绪态：进程处于可运行的状态，只是 CPU 时间片轮转还没有轮转到该进程。
运行态：进程处于可运行状态， 且 CPU 时间片轮转到该进程，该进程正在执行代码。
阻塞态：进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。