Linux --- 系统编程阶段 ------（进程概念）

冯诺依曼体系结构

1.冯诺依曼体系：
一共由五大部分组成，分别为：输入设备，输出设备，存储器，运算器，控制器，其关系如下图所示：

①：其中，黑色的线表示数据的流入与流出，红色的线代表的是对各个设备的控制。中央处理器（cpu）的组成是里面有控制器和运算器，其中控制器对各个其他的设备具有控制作用。
②：数据的流入是从输入设备流入存储器中，而运算器则是对存储器的数据进行拿出来并进行运算，然后再将处理后的数据流入存储器中，最终再输出设备再从存储器中取出数据。
③：由此可以看出来，存储器是整个体系中最重要的部分，它是与其他组成部分密切相关的链接的。
2.存储器：
功能：用来存放数据和程序。
其中存储器是内存，而不是硬盘，由于在数据的处理阶段需要从存储器中拿出数据进行相应的操作，而在硬盘上取出数据的效率比低下。
总的来说是：内存而不使用硬盘作为存储器的原因是内存吞吐量大。
特别的：而存储数据的时候用的是硬盘的原因是：内存中的数据是易丢失的，在断电的时候就会丢失数据，而磁盘存储数据较安全。
3.输入设备，输出设备：
功能：输入设备和输出设备都属于计算机的外部设备，主要是通过外部设备获得信息和将处理后的信息展现出来。
4.运算器：主要进行行数运算和逻辑运算，并将运算后的结果最终返回到存储器中。
5.控制器：主要用来指挥和控制程序和数据的输入运行，以及处理运算结果。
不考虑缓存的情况，其中cpu只能对内存上的数据进行读写，不能访问外设（输入、输出设备）。

操作系统

1.操作系统的概念：
任何一个计算机系统，都包含一个基本的程序集合，被成为操作系统（OS）。（实际上就是一个软件，用来管理计算机上的软硬件资源）
2.操作系统的内容：
①：内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
②：其他程序（如：函数库、shell等等）
3.设计的目的：
①：主要是为了管理计算机上的软硬件资源。
②：为了让用户的程序拥有一个良好的执行环境。
4.管理方式为：
①：描述被管理的对象。
②：组织被管理的对象。
5.其在计算机中的管理的分布图如下：

其中：
①：系统调用接口：操作系统向用户提供的可以访问内核的接口
②：shell外壳等其他指令：针对一些典型的接口进行封装。
库函数封装了系统调用接口。（库函数指的是shell外壳那行）

进程概念

1.进程的基本概念：
①：在用户的角度：正在运行的程序。
②：在操作系统的角度：是程序运行的动态描述（pcb），其中包含程序运行的各项信息，实现操作系统对于运行中的程序的管理(正在担当分配系统资源（cpu时间，内存）的实体)。
2.程序的基本概念：
①：程序：软件----程序员所写的代码，保存在磁盘中。
②：程序运行：基于冯诺依曼体系，首先将程序从磁盘加载到内存中，然后进行如下图操作：

其中，每个进程都有一个pcb，而cup对正在运行的进程是通过pcb来去管理的，但是同时很多进程都在运行，那么cpu是如何进行管理的呢，pcb到底是什么呢？如下：
①：cpu的管理机制为分时管理机制：就是让每个进程都会在cpu上去运行很短的一段时间（时间片），切换运行。
②：pcb本质上是一个结构体，被装载在cpu里面，其中包含了一个进程的许多信息，如：标识符—PID（进程id），内存指针，程序计数器，上下文数据，进程状态，进程优先级，IO状态信息，记账信息等。

进程状态

1.进程状态的概念：描述该进程目前处于什么状态，应该如何被操作系统调度管理。
①：状态一般分为：就绪，运行，阻塞。
②：在linux可以被表示的状态分为以下几种：

• R（运行态）：代表进程要么正在运行的，要么就在等待运行的队列里面。
• S（休眠态）：代表进程在等待事件结束。（代表可以被打断的阻塞状态，也可叫可中断休眠态）
• D（磁盘休眠态）：代表不可被打断的阻塞状态，一般情况下会等待IO结束，也可叫不可中断休眠态。
• T（停止态）：停止运行，但是还是占cpu（可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCONT信号让进程继续运行）。
• X（死亡态）：这个状态只是一个返回状态，在进程运行时看不见。
• Z（僵尸态）：程序退出后的中间等待处理状态。

其中这些状态的关系可以如下图所示：

2.僵尸进程：
①：产生：子进程先于父进程退出。此时子进程为了确保自己退出的返回值，因此没有完全释放资源，而是等待父进程处理。
②：危害：退出后的资源没有被完全释放的进程。会导致资源泄漏其中包括有内存泄漏和进程数量的占有。
③：避免：进程等待。
④：处理：退出父进程。
特别的与僵尸进程对应的还有一个孤儿进程
①：产生：父进程先于子进程退出。
②：特点：子进程运行在后台，并且子进程的父进程变为1号进程，并且孤儿进程退出后，也不会成为僵尸进程。
③：并且其可以制造出来守护进程（精灵进程）：就是在后台可以一直稳定运行的进程，并且与终端脱离了关系，（不受任何终端控制）。
④：守护进程的创建方式：当子进程成为孤儿进程的时候，对其使用（setsid（）函数）进行建立新的会话。
3.查看进程的指令：
①：查看指令:ps
语法：ps [选项]
功能：查看进程此时的各种信息。
选项：
-ef ：查看所有进程的状态信息。
-aux：查看所有进程状态的详细信息。
如下图分别为-ef和-aux的状态信息：
-ef如下：

-aux如下：

其中aux展示的比较详细，但是aux并没有展现当前进程的父进程。
②：删除指令：kill
语法：kill 指令id
功能：删除该指令
4.创建进程：
①：使用函数 :pit_t fork(void)
②：其中pit_t为一个数据类型，其返回的数值一般情况下为大于0，等于0，小于0；
③：其中当返回值大于0的时候，证明该返回值为其父进程所接收的，所以大于0的时候父进程运行该段代码，等于0的时候为子进程运行的地方，小于0说明，子进程创建失败。
④：一般情况下是大多是通过if语句来让父子进程干不同的事情。

环境变量

1.基本概念：一般指在操作系统中，用来指定操作系统运行环境的一些参数。（保存程序运行环境的变量）
2.作用：在进程之间传递一些数据。
3.常见的环境变量：

• PATH：指定命令的搜索路径（程序运行默认运行路径。（意思为，如果将可执行程序加入到该路径中，即便是不加./也可以运行））
• HOME：指定用户的主工作目录
• SHELL：当前Shell，通常是/bin/bash

4.环境相关的指令：
①：env：查看所有环境变量（不可查看普通的变量）
②：set：查看环境中的所有变量（既可以查看环境变量，也可也查看普通变量）
③：echo：打印某个指定变量的数据。（其中变量名需要用${NAME}，NAME为环境变量名称）
④：export：用于声明环境变量（自己创建一个环境变量）
语法：export 变量名=数值
⑤：unset：删除环境变量（普通变量也可也通过该指令删除）
5.环境变量的组织方式：
每个程序都会得到一个环境表，环境表是一个字符指针数组，每个指针指向一个以’\0’为尾的环境字符串。
其表示图如下：

6.通过系统调用获得或者设置环境变量：
可以使用下面这个函数：

char *getenv(char* name);

其中name是环境变量的名称，返回值为对应name环境变量的数据地址。

程序地址空间

1.首先我们看下面这个图，表示的是内存条上的各个数据模块的分布（我们以4G内存为例）：

如图就是分布情况。
2.存在的问题：进程在内存条上的存储位置不确定，我们看如下代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int val = 0;
int mian()
{
   pit_t pid = fork();
   if(pid < 0)
   {
      printf("prror pid\n");
   }
   else if(pid == 0)
   {
      printf("This is Child %d : %p\n",val,&val);
   }
   else
   {
      printf("This is parent %d : %p\n",val,&val);
   }
   return 0;
}

执行结果如下图：

没有什么问题，但是但当我们将子函数中的val进行修改的时候，我们会得到如下答案：
代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int val = 0;
int mian()
{
   pit_t pid = fork();
   if(pid < 0)
   {
      printf("prror pid\n");
   }
   else if(pid == 0)
   {
      val = 100; 
      printf("This is Child %d : %p\n",val,&val);
   }
   else
   {
      printf("This is parent %d : %p\n",val,&val);
   }
   return 0;
}

执行结果如下图：

可以看到，val的地址是相同的，但是相同的地址，怎么会出现不同的变量呢？所以我们推出了虚拟地址。
3.虚拟地址：
①：由上可以看出，操作系统给，每个进程都虚拟了一个完整的地址空间，如下图：

父进程和子进程都有一个虚拟地址空间，而val都在虚拟地址空间的相同位置，而映射到物理地址的时候，便是不同的位置，这样就造就了相同的位置，但是获得的数是不同的结果。
②：其实情况是这样的，操作系统给每个进程虚拟了一个独立的完整的虚拟地址空间，让每个进程都可以去访问自己的独立的连续的虚拟地址，但是实际的数据存储可以经过映射后，存储在物理内存的任意位置，这个位置是不连续的，这样就实现了数据在物理内存上的离散式存储。
而离散式存储大大提高了内存的利用率。
4.虚拟地址空间其实就是一个地址空间描述，本质上就是一个结构体，在底层的名字叫做struct mm-struct。
所以程序地址空间就是这样的：
本质上就是操作系统为进程通过mm-struct描述虚拟地址空间，让每个进程都能访问一个独立的完整的连续的虚拟地址，给过映射之后，是现在物理内存上的离散式存储，提高内存的利用率，提高内存访问控制。
5.如何通过虚拟地址找到物理内存中的存放位置呢？
其实在内部一共有三种内存的管理方式，分别如下：
①：分段式：将虚拟地址空间分成多个段，分段式管理会给每个进程创建段表。
而他们的分布如下：

通过虚拟地址的段号在段表中找到物理地址。
使用方法：取出虚拟地址里面的段号，在段表中通过段号找到段表项，取出物理地址的起始位置，加上段内的偏移量，就可以得到某个变量在物理地址的具体存储位置。
段内偏移量：就是相对于起始位置的数量。
②：分页式内存管理：
它的管理图如下：

在虚拟地址空间中将整个空间划分为一个个小的分页（一个分页通常有4096字节）。
缺页中断：通过虚拟地址获取物理地址进行访问地址内存的时候，数据不在内存中。
产生的原因：物理内存通常都不大，运行程序多了，总会有内存不够的时候，当内存不够的时候会产生内存置换。
内存置换：将物理内存中的不活跃的数据写入到磁盘中保存起来，然后将原位置改为新加载的数据。
而与分段式的比较：
分段式：是将虚拟地址空间进行分段管理，对内存的利用率并没有太大提高，但是对程序的地址管理比较好。
而分页式：将虚拟地址空间分成一个个小小的页面进行管理，实现了离散式存储，提高了内存利用率，并且在页表中进行了权限管理，提高了内存访问控制。

③：段页式管理：
将虚拟地址空间先进行分段管理，然后在每个短萼你进行分页式管理，集合了分页和分段的优点。
其中地址中包含：段号，段内页号，业内偏移。

1. 通过段号在段表中找到段表项
2. 在段表项中找到段内页表地址
3. 通过段内页号在段内页表中找到页表项
4. 通过页表项中的物理块起始地址加上页内偏移，得到物理地址。