進程管理

（1）應用程序如何運行與OS上的

·Os代碼和應用程序代碼都在內存中

·運行應用程序的代碼時，PC取應用程序的指令，CPU運行應用程序代碼

·應用程序調用OS提供的函數接口，讓OS幫忙提供支持時，這是PC取OS得指令並運行，並去控制外設（硬件）工作，這樣就是取得OS支持，總之OS充當了應用程序控制硬件設備的中間人。

（2）什麼是進程

進程是由程序變換而來，介紹進程時，需要先從程序說起。

1）當程序沒有運行時

      當程序沒有被運行時，該程序（可執行文件）只是存放在硬盤上的靜態數據，與你寫的word文件中的數據沒有本質區別



2）進程就是運行中的程序

當程序運行起來後，進程是所有與“程序運行”有關的代碼和數據的集合體，簡單的理解就是“進程”就是行進中的程序。



3）進程也有生有死

           （a）開始運行爲生，運行結束即爲死。
   （b）程序好比人，進程好比人生，人活着時的一切就是人生，程序活着時所涉及的一切就是進程。




4）進程應包含三部分內容

             （a）應用程序本身的代碼和數據，這一部分稱爲應用代碼部分，習慣稱爲應用空間

             （b）應用程序調用OS函數時，所涉及的OS中的代碼和數據，這一部分稱爲內核代碼部分，習慣稱爲內核空間

             （c）OS記錄的進程在運行時的各種管理信息專門進行進程管理的叫PCB進程控制塊

（3）進程控制

1）爲什麼要進行進程控制

在有OS的計算機上，應用程序必須在OS的支持下才能運行，換句話說，必須在OS的控制之下才能運行。

2）控制做些啥事情

（a）分配內存空間，然後將程序調入內存並啓動運行，運行起來後就變成了一個進程。

（b）OS調度器對其進行調度

（c）OS進行進程控制時，會負責記錄進程各個方面的管理信息，這些控制（管理）信息都記錄在了PCB中。

（d）意外事件處理

（e）當進程運行結束之後，回收內存空間、記錄有各方面進程信息的PCB，

3）多進程併發運行

       在計算機上運行的絕不是隻有一個進程，而是很多進程同時併發運行，進程在併發運行時
                   1）所有進程都是交替運行的，每個進程只運行一個ms級的時間片。
                   2）調度器會根據調度優先級算法，決定下一個時間片運行哪一個進程
                   3）從宏觀上看，所有進程是同時併發運行的，但在微觀上，在每個時刻，CPU只運行一個進程。

4）進程控制信息（PCB）

我們說進程是在OS控制下運行的，OS會使用PCB管理各種進程信息，以Linux系統爲例，PCB就是一個C結構體，該結構體名叫 task_struct，該結構體非常大，成員項達300個左右，用於記錄該進程被OS控制運行時的各種管理信息。

1）Linux系統的tasck_struct結構體

2）task_struct中的各種進程管理信息

（a）進程信息

· 進程ID：用於唯一標識進程的編號，好比人的身份證號

· 程序名稱：就是可執行文件的名字

· 可執行文件的格式：

· 進程時間：進程什麼時候開始運行的

（b）進程調度信息

· 進程運行狀態：就緒態，執行態，等待態等

· 優先級：進程被調度的優先級，優先級高的會被優先被調度

· 調度標誌：標記該進程是否被調度

· 時間片：運行時間片大小

（c）文件信息：記錄正在被進程操作文件的各種信息

（d）內存信息：進程運行時所需內存的管理信息

（e）休眠時間：比如當進程調用sleep函數，進程就會進入休眠。

5）進程的運行狀態

1）進程運行狀態有哪些

                   （a）就緒態：表示進程準備就緒，隨時等待被調度運行
                   （b）執行態：被調度運行，運行時佔有CPU，運行的時間片到後讓出CPU
                   （c）阻塞態：因爲進程運行需要的某些條件的不滿足，進程阻塞處於休眠狀態
                   （d）終止態：進程結束，也就是程序運行結束，回收進程佔用的內存資源

2）進程狀態間的切換

6）有關進程調度

          1）進程調度由調度器實現
          2）所有進程運行時，都包含就緒態、執行態、阻塞態、終止態這些狀態，都會在這些狀態之間來回切換
          3）只有當進程進入執行態時，進程纔會獲得CPU的佔有權
          4）進程運行的時間片到後就會調度其它進程運行，每個時間片平均在10ms~20ms左右。

8）進程通信

本機進程間通信

- 本機進程間通信的第三方 OS，

誇機進程間通信

其實就是網絡通信，實現兩臺計算機上的程序之間的通信。

9）進程間的關係

1）父子關係

2）進程組關係

3）會話期

10）輕量級的進程 — 線程

1）進程存在的問題：進程切換很耗費時間

2）進程問題的解決：線程

3）線程由誰提供

線程有兩種提供方式，第一種則由操作系統提供，第二種以線程庫方式提供，獨立於OS之外。

a）Linux：兩種方式都有，不過常見的都是以獨立於OS之外的線程庫來提供。

b）Win32：由OS提供

4）與進程一樣，線程也會參與調度

5）線程能夠替代進程嗎

a）不能因爲線程是基於進程而存在，沒有進程也無法無法實現

6）進程與線程關係

線程基於進程資源工作

資源（cpu和內存）以進程爲單位進程分配的，因此進程被稱爲資源分配的最小單位

線程的切換

進程內的線程切換時，不涉及進程間的切換

進程與線程各自的作用

- 程序運行起來後就變成了進程，OS以進程爲單位分配cpu、內存等計算機資源。
- 線程實現進程內部的多線任務

7）進程和線程關係類比

內存管理

1）虛擬內存

1）虛擬內存的基本原理

a）原理圖

（c）爲什麼稱爲虛擬內存

CPU被欺騙了，它認爲使用這個虛擬地址訪問了某個內存，但是這個虛擬地址只是一個編號，這個虛擬地址對應的只是一個虛擬的內存，實際上程序被分成兩部分放在了內存上和外存上。

（d）虛擬內存機制爲什麼節省了內存

因爲只加載了你要運行的那部分，其他的都在外存上，外存幫忙存了其他代碼，相當於使用外存擴展了內存空間。

（e）虛擬內存機制爲什麼能夠防止修改別人的程序空間

自己的虛擬地址只映射了自己的物理內存空間和外存空愛，就算是程序員把地址寫錯了，但是錯的也只是虛擬地址，由於虛擬地址只映射了自己的空間，頂多也就把自己的空間給改了，不可能把別人的空間給改了。

2）虛擬內存機制的具體實現

（a）將內存和程序分頁

（b）加載程序，建立映射頁表

所有運行的進程都有一張自己頁表 OS的虛擬內存機制就是使用每個進程的頁表來管理這些虛擬頁的。

1 加載肯定是有OS負責加載的

2 OS加載程序時候需要一個輔助進程（該進程父進程）

3 程序被加載後成爲進程 OS就會爲該進程開闢頁表（從父進程的頁表複製過來修改後得倒一張新頁表）

（c）CPU通過“虛擬地址”取指並執行進程

虛擬地址/頁大小（4K ） = 所在頁號

（d）缺頁異常處理

缺頁中斷： CPU取址運行（內存沒有在外存上把所缺頁導入內存：（1 找空頁導入 2替換掉以前的頁））

CPU重新取址運行

3）動態庫的實現原理

1）靜態庫和動態庫

  靜態庫是在編譯程序時就決定好了的，庫代碼已經被複制到了程序中，

但是動態庫不一樣，程序使用這個動態庫時，並沒有將動態庫代碼複製到程序中，只是在程序中留下了一片空的虛擬地址作爲接口，這些虛擬地址並不對應真實的指令。當我們的程序被加載到內存中運行時，纔會動態的去加載動態庫，因爲動態庫時共享的，因此動態庫也被稱爲共享庫。

2）動態庫的實現

動態庫也叫共享庫，核心是共享，因爲動態庫的實現需要虛擬內存機制的支持，

如果是裸機的話，是沒有OS，沒有OS就沒有虛擬內存機制，在裸機上只能使用靜態庫

3）程序中的動態庫接口

    程序中使用了動態庫的話，編譯程序時，會預留一片虛擬地址。
       當程序運行起來後，這片虛擬地址會被映射到物理內存上的動態庫，建立虛擬地址和動態庫物理地址的對應關係。

4）共享內存

不同進程共享了同一片空間後，一個往裏方數據，另一個從裏面取數據，就實現了通信。

與共享動態庫的區別僅僅是，共享動態庫時，共享空間裏面放的是動態庫的指令，供不同進程共享執行。
而共享內存僅僅只是一片空的共享空間，只是是用來通信用的。

2）虛擬內存總結

如下這張圖是如何得到的

多進程是如何共享一個OS的：

應用空間對應的虛擬地址：用於訪問應用代碼。
內核空間對應的虛擬地址：用於映射到OS上，當應用代碼調用OS的系統函數時，就會使用內核空間虛擬地址訪問OS
使用虛擬地址，不管是訪問應用代碼，還是訪問OS，虛擬地址都需要被轉成物理地址，到實際的物理內存中去訪問

CPU使用虛擬的地址運行每一個進程，CPU被虛擬地址欺騙後，CPU人爲每一個進程都有一個自己的內存，這個欺騙CPU假內存，就稱爲虛擬內存。

CPU認爲整個程序（進程）運行在獨立的虛擬內存上，因此虛擬內存空間，也被稱爲進程空間。

虛擬內存就是通過虛擬內存機制，在物理內存和硬盤上，營造出來的一種假象

設備管理

（1）回顧計算機結構

（2）常見的外部設備

只要掛接在外設IO接口上的都是外部設備

按照用途分的話，大致分爲三大類。
（a）數據的傳輸：比如網卡，負責數據的發送和接收，即是輸入也是輸出設備
（b）數據的存儲：比如像磁盤，SSD（固態硬盤），既能讀數據也能裏寫數據，所以即是輸入也是輸出設備。
（c）數據的翻譯：比如輸入設備MIC，將輸入的聲音翻譯爲電信號的二進制數據。

（3）設備驅動程序

1）爲什麼叫要驅動程序

外部設備絕對不是連上就能用的，必須要有專門的程序來驅動才能工作，能夠驅動外部設備工作的程序就是驅動程序。

2）驅動程序到底是如何驅動外部設備

爲了能夠驅動外部設備工作，驅動程序關鍵要要兩件事情

第一件：配置外設的工作模式
第二件：通過外設輸入輸出數據

（a）第一件：配置外部設備的工作模式

爲什麼要配置

因爲大多數外部設備都有很多種工作模式，驅動程序需要通過相應的配置，選擇讓設備工作在那種工作模式下

如果不做配置的話，外部設備不知道該工作在什麼模式下，是混亂的。

驅動程序是如何配置外部設備的呢

通過相應的配置開關進行配置，這個配置開關就是“設備的配置寄存器”。

設備的配置寄存器

就是外設工作模式的配置開關，是外設專用寄存器，與CPU內部的寄存器、cache、內存（DDR）一樣，

只是這些寄存器被做在了外部設備的內部，是專屬於外設的專用小容量內存

驅動程序向設備的配置寄存器中寫入相應的配置數據，就可以配置好外部設備的工作模式。

·爲什麼向配置寄存器寫入配置數據，就能配置好外設的工作模式

計算機中數據已電信號存在，向設備配置寄存器寫入配置數據，其實就是將電信號導入配置寄存器，配置寄存器中
就把這個電信號鎖存起來，這個電信號承載的是一個二進制數，所以就將電信號的二進制數據寫入了配置寄存器中。

（b）第二件：輸入/輸出數據

配置好工作模式後，驅動程序就可以驅動設備工作了，此時需要用外設的“數據寄存器”。

爲什麼需要數據寄存器呢？
因爲輸入輸出數據時，數據需要暫時存放在數據寄存器中，存數據時，存儲的其實就是電信號。

·輸入設備

輸入設備有兩種情況，
第一種：直接得到就是二進制數據，比如像網卡和存儲器，能夠直接輸入數據
第二種：需要經過傳感器的翻譯，比如像麥克風、攝像頭，需要轉爲二進制電信號形式的數據。

CPU執行輸入設備驅動程序時，從輸入設備的數據寄存器中取出數據，並將數據保存起來，專門進行數據處理的程序就可以處理這些輸入的數據了。

本質就是數據的搬移（在指令的控制下把電信號從一個地方搗鼓到另一個地方）

從設備數據寄存器搬移到---->驅動程序緩存裏面搬移---->OS內核緩存---->C庫緩存----->應用緩存

·輸出設備

輸入設備有兩種情況（同上）

CPU執行輸出設備的驅動程序時，會將電信號形式的數據寫到設備的數據寄存器中，輸出設備的

（4）驅動程序的種類

分爲兩種，第一種是裸機驅動程序，第二種是基於OS的驅動程序。

（a）裸機驅動程序的特點

裸機程序大致分爲兩部分，第一部分爲業務邏輯代碼，第二部分爲驅動代碼

- 業務邏輯代碼：專門負責數據的處理，比如計算1+2結果

- 驅動代碼：專門負責驅動外設，實現數據的輸入輸出，比如控制鍵盤輸入1和2，控制顯示屏顯示3

（b）基於OS的驅動程序

文件管理

（1）文件在磁盤上存儲形態

文件存儲在磁盤上時，分別要存儲兩部分的內容，第一部分是文件屬性信息，第二部分是文件中存放的數據，屬性信息和數據是分開存放的.

我們看見的圖形化的文件，只是圖形化給人看的一個文件符號而已，存儲在磁盤上的文件信息纔是真實的文件存在形態。

1）第一部分，文件屬性信息

表現文件的獨特性質，是區別文件用的身份信息，文件的屬性信息有文件名、文件類型、文件輸在位置等信息，任何計算機上的文件的屬性，80%都是相同

文件屬性都包含，文件名稱、文件類型、文件大小、文件位置、創建/修改時間、文件讀寫權限、打開方式等。

2）第二部分，文件數據：就是存放在文件中的數據。

3）文件屬性與文件數據

（a）並不是所有的文件都有數據

第一個：所有的文件一定都有屬性信息

第二個：但是不是所有的文件都有數據

（b）文件屬性與文件數據如何發生關係

文件屬性中保存了文件數據在磁盤上存儲地址，操作文件時，首先找到文件屬性，然後再通過地址找到數據空間，調用磁盤驅動就可以操作文件數據所在磁盤空間，對文件數據進行相應的讀寫操作。

（c）只有文件屬性才能代表文件的存在性

（2）文件系統

1）作用：文件管理軟件，計算機文件的管理者

                   書架：文件系統
                   書：文件
                   書中的內容：數據

數據是以文件爲單元存儲在磁盤上的，磁盤上會存儲非常多的文件，因此需要文件系統這個軟件來管理這些磁盤文件，文件系統被圖形化呈現後，我們看見的就是各種的文件圖標。

那麼文件系統管理文件時，文件系統是通過管理文件的屬性信息來管理文件的，就好比公安局使用每個人的檔案（人屬性）來管理人一樣。

2）文件大致分類

（a）目錄文件

文件夾，用於歸類和組織其它文件，是文件系統管理文件時很重要的組織節點。
目錄文件在磁盤上存儲時，會存儲自己屬性和數據兩部分內容
目錄的數據空間只用與存放被管理文件的簡略信息（文件的名字等）目錄使用這些簡略信息來組織管理文件

文件的屬性和數據並不放在目錄文件空間裏面，而是存放在文件自己的屬性和數據空間。

（b）非目錄文件

·有數據：由於存儲和管理數據用的，有數據的文件又分成了兩種

- 字符編碼文件 - 非字符編碼文件

·沒有數據：這類文件很特殊，只有屬性沒有數據，屬於特殊用途的文

3）文件系統的管理結構：樹形管理結構

（a）組織結構都是以樹形結構管理的

（b）文件系統的樹形結構

4）文件系統與OS，與磁盤關係

（a）文件系統屬於OS的一部分

文件系統分爲兩部分，第一部分是“虛擬文件系統”，第二部分是“具體的文件系統”

· 虛擬文件系統：也叫VFS，OS內核與各種“具體文件系統”對接的統一接口。

· 具體的文件系統：文件分爲了很多種

“虛擬文件系統”與“具體文件系統”的關係

· 文件系統與“文件系統的管理格式”

不同的文件系統會用不同的管理格式去管理我們的磁盤空間，從而實現對磁盤上所放文件的管理

不同的文件系統的管理格式是不一樣的。

OS使用不同文件系統去管理磁盤、SSD、U盤、移動硬盤，我們需要設置不同管理格式。

- 如何設置磁盤、SSD、U盤、移動硬盤的管理格式呢？

比如我們格式化磁盤、SSD、U盤、移動硬盤時，選擇文件類型時，就是在選擇該種文件系統對應的管理格式。

- 我們在格式化時做了什麼事？

一般，OS中會包含很多種文件系統

5）以ext文件系統的管理格式爲例

1）文件系統管理格式概述

（a）ext文件系統爲了很好的管理磁盤上存放的文件，ext對應的管理格式，將磁盤大致分爲了四大存儲區域

2）各大區域介紹

（a）自舉區

·存儲內容：存放“自舉程序”

（b）超級區

存儲內容：存放對於磁盤（屬性和數據存儲區）的管理信息，其中有兩個很重要的表(鏈表)

（c）文件屬性存儲區

· 存儲內容

- 該區域專門用於存放所有文件的屬性信息。

- 該存儲區域被分成了一個個的inode節點

- 如何通過i節點編號訪問i節點空間

·存儲文件屬性信息的作用

（1）代表了文件的存在
（2）用於管理文件文件系統這個管理軟件，讓它去管理我們的文件系統。

（d）文件數據存儲區

-存儲內容

- 存儲文件數據，文件屬性和數據分開存放的

- 訪問文件數據的過程

文件的數據並不是完全一整塊存儲在“文件數據存儲區的”，而是分一塊一塊存儲的，每一塊之間不一定是連續的，各塊之間通過相互保存對方地址連接起來。

磁盤是以塊作爲空間分配和管理的最小單元，一塊大約4KB左右，當向文件中輸入數據，當前塊滿了後，“超級區”會給文件再分配一塊空間，數據一點點的寫入這個空間，當再次寫滿這個空間後，再分配一個塊。

·普通文件和目錄文件的數據內容

- 普通文件
對於普通文件來說，在數據空間放的就是文件中的數據。

- 目錄文件

3）訪問文件的過程

（a）第一步：搜索，找到xxx.txt文件

- /位置是固定的，先找到/的i節點空間

- 通過/的i節點空間，找到/數據空間

- 在/目錄的數據空間，搜索/下的目錄項，看看有沒有叫xxx.txt的文件

+ 如果有：xxx.txt名字 —> xxx.txt目錄項—>i節點編號—>i節點空間

+ 如果沒有：OS返回一個錯誤信息給程序，提示操作的文件不存在。

（b）第二步：打開文件

（c）第三步：調用磁盤驅動程序，讀寫文件的數據

4）文件系統與磁盤驅動

1）文件系統

使用目錄項、文件屬性等信息來管理文件，搜索文件時，必須通過文件系統才能找到被管理的文件。

2）磁盤驅動

專門負責對磁盤上文件的讀寫操作：數據空間的讀寫操作屬性空間的讀寫操作（文件i節點空間）

3）需要注意的是

對文件進行讀寫數據時，數據並不是一下子就寫到文件中的，數據要經一系列緩存之後，驅動程序然後再將數寫入文件
int main(void)
{
	char buf[100];
	int a;//a也是緩存，用於臨時存放整形數
	struct student stu;//也是一個緩存，用於臨時存放某個學生的信息
	
	
	scanf("%s", buf);//從鍵盤輸入數據，並暫時緩存到Buf中去，
	//緩存是什麼：緩存其實就是程序開闢出來的，用於臨時存放數據的內存空間
	//我們程序中開闢出來的，一切的變量空間，統統都是用於存放數據的緩存
	
	int fd;
	fd = open("/xxx.txt", 只寫);
	write(fd, "hello world", 11);//調用系統函數write，將應用程序buf（緩存）中的數據，搗騰到內核中緩存中去
	
	
	return 0;
}

5）文件系統簡單總結

· OS是藉助文件系統來管理文件的。
· OS會提供接口來對接具體的文件系統，在Linux下，對接具體文件系統的接口叫虛擬文件系統。

（零）操作系統基礎