进程管理

（1）应用程序如何运行与OS上的

·Os代码和应用程序代码都在内存中

·运行应用程序的代码时，PC取应用程序的指令，CPU运行应用程序代码

·应用程序调用OS提供的函数接口，让OS帮忙提供支持时，这是PC取OS得指令并运行，并去控制外设（硬件）工作，这样就是取得OS支持，总之OS充当了应用程序控制硬件设备的中间人。

（2）什么是进程

进程是由程序变换而来，介绍进程时，需要先从程序说起。

1）当程序没有运行时

      当程序没有被运行时，该程序（可执行文件）只是存放在硬盘上的静态数据，与你写的word文件中的数据没有本质区别



2）进程就是运行中的程序

当程序运行起来后，进程是所有与“程序运行”有关的代码和数据的集合体，简单的理解就是“进程”就是行进中的程序。



3）进程也有生有死

           （a）开始运行为生，运行结束即为死。
   （b）程序好比人，进程好比人生，人活着时的一切就是人生，程序活着时所涉及的一切就是进程。




4）进程应包含三部分内容

             （a）应用程序本身的代码和数据，这一部分称为应用代码部分，习惯称为应用空间

             （b）应用程序调用OS函数时，所涉及的OS中的代码和数据，这一部分称为内核代码部分，习惯称为内核空间

             （c）OS记录的进程在运行时的各种管理信息专门进行进程管理的叫PCB进程控制块

（3）进程控制

1）为什么要进行进程控制

在有OS的计算机上，应用程序必须在OS的支持下才能运行，换句话说，必须在OS的控制之下才能运行。

2）控制做些啥事情

（a）分配内存空间，然后将程序调入内存并启动运行，运行起来后就变成了一个进程。

（b）OS调度器对其进行调度

（c）OS进行进程控制时，会负责记录进程各个方面的管理信息，这些控制（管理）信息都记录在了PCB中。

（d）意外事件处理

（e）当进程运行结束之后，回收内存空间、记录有各方面进程信息的PCB，

3）多进程并发运行

       在计算机上运行的绝不是只有一个进程，而是很多进程同时并发运行，进程在并发运行时
                   1）所有进程都是交替运行的，每个进程只运行一个ms级的时间片。
                   2）调度器会根据调度优先级算法，决定下一个时间片运行哪一个进程
                   3）从宏观上看，所有进程是同时并发运行的，但在微观上，在每个时刻，CPU只运行一个进程。

4）进程控制信息（PCB）

我们说进程是在OS控制下运行的，OS会使用PCB管理各种进程信息，以Linux系统为例，PCB就是一个C结构体，该结构体名叫 task_struct，该结构体非常大，成员项达300个左右，用于记录该进程被OS控制运行时的各种管理信息。

1）Linux系统的tasck_struct结构体

2）task_struct中的各种进程管理信息

（a）进程信息

· 进程ID：用于唯一标识进程的编号，好比人的身份证号

· 程序名称：就是可执行文件的名字

· 可执行文件的格式：

· 进程时间：进程什么时候开始运行的

（b）进程调度信息

· 进程运行状态：就绪态，执行态，等待态等

· 优先级：进程被调度的优先级，优先级高的会被优先被调度

· 调度标志：标记该进程是否被调度

· 时间片：运行时间片大小

（c）文件信息：记录正在被进程操作文件的各种信息

（d）内存信息：进程运行时所需内存的管理信息

（e）休眠时间：比如当进程调用sleep函数，进程就会进入休眠。

5）进程的运行状态

1）进程运行状态有哪些

                   （a）就绪态：表示进程准备就绪，随时等待被调度运行
                   （b）执行态：被调度运行，运行时占有CPU，运行的时间片到后让出CPU
                   （c）阻塞态：因为进程运行需要的某些条件的不满足，进程阻塞处于休眠状态
                   （d）终止态：进程结束，也就是程序运行结束，回收进程占用的内存资源

2）进程状态间的切换

6）有关进程调度

          1）进程调度由调度器实现
          2）所有进程运行时，都包含就绪态、执行态、阻塞态、终止态这些状态，都会在这些状态之间来回切换
          3）只有当进程进入执行态时，进程才会获得CPU的占有权
          4）进程运行的时间片到后就会调度其它进程运行，每个时间片平均在10ms~20ms左右。

8）进程通信

本机进程间通信

- 本机进程间通信的第三方 OS，

夸机进程间通信

其实就是网络通信，实现两台计算机上的程序之间的通信。

9）进程间的关系

1）父子关系

2）进程组关系

3）会话期

10）轻量级的进程 — 线程

1）进程存在的问题：进程切换很耗费时间

2）进程问题的解决：线程

3）线程由谁提供

线程有两种提供方式，第一种则由操作系统提供，第二种以线程库方式提供，独立于OS之外。

a）Linux：两种方式都有，不过常见的都是以独立于OS之外的线程库来提供。

b）Win32：由OS提供

4）与进程一样，线程也会参与调度

5）线程能够替代进程吗

a）不能因为线程是基于进程而存在，没有进程也无法无法实现

6）进程与线程关系

线程基于进程资源工作

资源（cpu和内存）以进程为单位进程分配的，因此进程被称为资源分配的最小单位

线程的切换

进程内的线程切换时，不涉及进程间的切换

进程与线程各自的作用

- 程序运行起来后就变成了进程，OS以进程为单位分配cpu、内存等计算机资源。
- 线程实现进程内部的多线任务

7）进程和线程关系类比

内存管理

1）虚拟内存

1）虚拟内存的基本原理

a）原理图

（c）为什么称为虚拟内存

CPU被欺骗了，它认为使用这个虚拟地址访问了某个内存，但是这个虚拟地址只是一个编号，这个虚拟地址对应的只是一个虚拟的内存，实际上程序被分成两部分放在了内存上和外存上。

（d）虚拟内存机制为什么节省了内存

因为只加载了你要运行的那部分，其他的都在外存上，外存帮忙存了其他代码，相当于使用外存扩展了内存空间。

（e）虚拟内存机制为什么能够防止修改别人的程序空间

自己的虚拟地址只映射了自己的物理内存空间和外存空爱，就算是程序员把地址写错了，但是错的也只是虚拟地址，由于虚拟地址只映射了自己的空间，顶多也就把自己的空间给改了，不可能把别人的空间给改了。

2）虚拟内存机制的具体实现

（a）将内存和程序分页

（b）加载程序，建立映射页表

所有运行的进程都有一张自己页表 OS的虚拟内存机制就是使用每个进程的页表来管理这些虚拟页的。

1 加载肯定是有OS负责加载的

2 OS加载程序时候需要一个辅助进程（该进程父进程）

3 程序被加载后成为进程 OS就会为该进程开辟页表（从父进程的页表复制过来修改后得倒一张新页表）

（c）CPU通过“虚拟地址”取指并执行进程

虚拟地址/页大小（4K ） = 所在页号

（d）缺页异常处理

缺页中断： CPU取址运行（内存没有在外存上把所缺页导入内存：（1 找空页导入 2替换掉以前的页））

CPU重新取址运行

3）动态库的实现原理

1）静态库和动态库

  静态库是在编译程序时就决定好了的，库代码已经被复制到了程序中，

但是动态库不一样，程序使用这个动态库时，并没有将动态库代码复制到程序中，只是在程序中留下了一片空的虚拟地址作为接口，这些虚拟地址并不对应真实的指令。当我们的程序被加载到内存中运行时，才会动态的去加载动态库，因为动态库时共享的，因此动态库也被称为共享库。

2）动态库的实现

动态库也叫共享库，核心是共享，因为动态库的实现需要虚拟内存机制的支持，

如果是裸机的话，是没有OS，没有OS就没有虚拟内存机制，在裸机上只能使用静态库

3）程序中的动态库接口

    程序中使用了动态库的话，编译程序时，会预留一片虚拟地址。
       当程序运行起来后，这片虚拟地址会被映射到物理内存上的动态库，建立虚拟地址和动态库物理地址的对应关系。

4）共享内存

不同进程共享了同一片空间后，一个往里方数据，另一个从里面取数据，就实现了通信。

与共享动态库的区别仅仅是，共享动态库时，共享空间里面放的是动态库的指令，供不同进程共享执行。
而共享内存仅仅只是一片空的共享空间，只是是用来通信用的。

2）虚拟内存总结

如下这张图是如何得到的

多进程是如何共享一个OS的：

应用空间对应的虚拟地址：用于访问应用代码。
内核空间对应的虚拟地址：用于映射到OS上，当应用代码调用OS的系统函数时，就会使用内核空间虚拟地址访问OS
使用虚拟地址，不管是访问应用代码，还是访问OS，虚拟地址都需要被转成物理地址，到实际的物理内存中去访问

CPU使用虚拟的地址运行每一个进程，CPU被虚拟地址欺骗后，CPU人为每一个进程都有一个自己的内存，这个欺骗CPU假内存，就称为虚拟内存。

CPU认为整个程序（进程）运行在独立的虚拟内存上，因此虚拟内存空间，也被称为进程空间。

虚拟内存就是通过虚拟内存机制，在物理内存和硬盘上，营造出来的一种假象

设备管理

（1）回顾计算机结构

（2）常见的外部设备

只要挂接在外设IO接口上的都是外部设备

按照用途分的话，大致分为三大类。
（a）数据的传输：比如网卡，负责数据的发送和接收，即是输入也是输出设备
（b）数据的存储：比如像磁盘，SSD（固态硬盘），既能读数据也能里写数据，所以即是输入也是输出设备。
（c）数据的翻译：比如输入设备MIC，将输入的声音翻译为电信号的二进制数据。

（3）设备驱动程序

1）为什么叫要驱动程序

外部设备绝对不是连上就能用的，必须要有专门的程序来驱动才能工作，能够驱动外部设备工作的程序就是驱动程序。

2）驱动程序到底是如何驱动外部设备

为了能够驱动外部设备工作，驱动程序关键要要两件事情

第一件：配置外设的工作模式
第二件：通过外设输入输出数据

（a）第一件：配置外部设备的工作模式

为什么要配置

因为大多数外部设备都有很多种工作模式，驱动程序需要通过相应的配置，选择让设备工作在那种工作模式下

如果不做配置的话，外部设备不知道该工作在什么模式下，是混乱的。

驱动程序是如何配置外部设备的呢

通过相应的配置开关进行配置，这个配置开关就是“设备的配置寄存器”。

设备的配置寄存器

就是外设工作模式的配置开关，是外设专用寄存器，与CPU内部的寄存器、cache、内存（DDR）一样，

只是这些寄存器被做在了外部设备的内部，是专属于外设的专用小容量内存

驱动程序向设备的配置寄存器中写入相应的配置数据，就可以配置好外部设备的工作模式。

·为什么向配置寄存器写入配置数据，就能配置好外设的工作模式

计算机中数据已电信号存在，向设备配置寄存器写入配置数据，其实就是将电信号导入配置寄存器，配置寄存器中
就把这个电信号锁存起来，这个电信号承载的是一个二进制数，所以就将电信号的二进制数据写入了配置寄存器中。

（b）第二件：输入/输出数据

配置好工作模式后，驱动程序就可以驱动设备工作了，此时需要用外设的“数据寄存器”。

为什么需要数据寄存器呢？
因为输入输出数据时，数据需要暂时存放在数据寄存器中，存数据时，存储的其实就是电信号。

·输入设备

输入设备有两种情况，
第一种：直接得到就是二进制数据，比如像网卡和存储器，能够直接输入数据
第二种：需要经过传感器的翻译，比如像麦克风、摄像头，需要转为二进制电信号形式的数据。

CPU执行输入设备驱动程序时，从输入设备的数据寄存器中取出数据，并将数据保存起来，专门进行数据处理的程序就可以处理这些输入的数据了。

本质就是数据的搬移（在指令的控制下把电信号从一个地方捣鼓到另一个地方）

从设备数据寄存器搬移到---->驱动程序缓存里面搬移---->OS内核缓存---->C库缓存----->应用缓存

·输出设备

输入设备有两种情况（同上）

CPU执行输出设备的驱动程序时，会将电信号形式的数据写到设备的数据寄存器中，输出设备的

（4）驱动程序的种类

分为两种，第一种是裸机驱动程序，第二种是基于OS的驱动程序。

（a）裸机驱动程序的特点

裸机程序大致分为两部分，第一部分为业务逻辑代码，第二部分为驱动代码

- 业务逻辑代码：专门负责数据的处理，比如计算1+2结果

- 驱动代码：专门负责驱动外设，实现数据的输入输出，比如控制键盘输入1和2，控制显示屏显示3

（b）基于OS的驱动程序

文件管理

（1）文件在磁盘上存储形态

文件存储在磁盘上时，分别要存储两部分的内容，第一部分是文件属性信息，第二部分是文件中存放的数据，属性信息和数据是分开存放的.

我们看见的图形化的文件，只是图形化给人看的一个文件符号而已，存储在磁盘上的文件信息才是真实的文件存在形态。

1）第一部分，文件属性信息

表现文件的独特性质，是区别文件用的身份信息，文件的属性信息有文件名、文件类型、文件输在位置等信息，任何计算机上的文件的属性，80%都是相同

文件属性都包含，文件名称、文件类型、文件大小、文件位置、创建/修改时间、文件读写权限、打开方式等。

2）第二部分，文件数据：就是存放在文件中的数据。

3）文件属性与文件数据

（a）并不是所有的文件都有数据

第一个：所有的文件一定都有属性信息

第二个：但是不是所有的文件都有数据

（b）文件属性与文件数据如何发生关系

文件属性中保存了文件数据在磁盘上存储地址，操作文件时，首先找到文件属性，然后再通过地址找到数据空间，调用磁盘驱动就可以操作文件数据所在磁盘空间，对文件数据进行相应的读写操作。

（c）只有文件属性才能代表文件的存在性

（2）文件系统

1）作用：文件管理软件，计算机文件的管理者

                   书架：文件系统
                   书：文件
                   书中的内容：数据

数据是以文件为单元存储在磁盘上的，磁盘上会存储非常多的文件，因此需要文件系统这个软件来管理这些磁盘文件，文件系统被图形化呈现后，我们看见的就是各种的文件图标。

那么文件系统管理文件时，文件系统是通过管理文件的属性信息来管理文件的，就好比公安局使用每个人的档案（人属性）来管理人一样。

2）文件大致分类

（a）目录文件

文件夹，用于归类和组织其它文件，是文件系统管理文件时很重要的组织节点。
目录文件在磁盘上存储时，会存储自己属性和数据两部分内容
目录的数据空间只用与存放被管理文件的简略信息（文件的名字等）目录使用这些简略信息来组织管理文件

文件的属性和数据并不放在目录文件空间里面，而是存放在文件自己的属性和数据空间。

（b）非目录文件

·有数据：由于存储和管理数据用的，有数据的文件又分成了两种

- 字符编码文件 - 非字符编码文件

·没有数据：这类文件很特殊，只有属性没有数据，属于特殊用途的文

3）文件系统的管理结构：树形管理结构

（a）组织结构都是以树形结构管理的

（b）文件系统的树形结构

4）文件系统与OS，与磁盘关系

（a）文件系统属于OS的一部分

文件系统分为两部分，第一部分是“虚拟文件系统”，第二部分是“具体的文件系统”

· 虚拟文件系统：也叫VFS，OS内核与各种“具体文件系统”对接的统一接口。

· 具体的文件系统：文件分为了很多种

“虚拟文件系统”与“具体文件系统”的关系

· 文件系统与“文件系统的管理格式”

不同的文件系统会用不同的管理格式去管理我们的磁盘空间，从而实现对磁盘上所放文件的管理

不同的文件系统的管理格式是不一样的。

OS使用不同文件系统去管理磁盘、SSD、U盘、移动硬盘，我们需要设置不同管理格式。

- 如何设置磁盘、SSD、U盘、移动硬盘的管理格式呢？

比如我们格式化磁盘、SSD、U盘、移动硬盘时，选择文件类型时，就是在选择该种文件系统对应的管理格式。

- 我们在格式化时做了什么事？

一般，OS中会包含很多种文件系统

5）以ext文件系统的管理格式为例

1）文件系统管理格式概述

（a）ext文件系统为了很好的管理磁盘上存放的文件，ext对应的管理格式，将磁盘大致分为了四大存储区域

2）各大区域介绍

（a）自举区

·存储内容：存放“自举程序”

（b）超级区

存储内容：存放对于磁盘（属性和数据存储区）的管理信息，其中有两个很重要的表(链表)

（c）文件属性存储区

· 存储内容

- 该区域专门用于存放所有文件的属性信息。

- 该存储区域被分成了一个个的inode节点

- 如何通过i节点编号访问i节点空间

·存储文件属性信息的作用

（1）代表了文件的存在
（2）用于管理文件文件系统这个管理软件，让它去管理我们的文件系统。

（d）文件数据存储区

-存储内容

- 存储文件数据，文件属性和数据分开存放的

- 访问文件数据的过程

文件的数据并不是完全一整块存储在“文件数据存储区的”，而是分一块一块存储的，每一块之间不一定是连续的，各块之间通过相互保存对方地址连接起来。

磁盘是以块作为空间分配和管理的最小单元，一块大约4KB左右，当向文件中输入数据，当前块满了后，“超级区”会给文件再分配一块空间，数据一点点的写入这个空间，当再次写满这个空间后，再分配一个块。

·普通文件和目录文件的数据内容

- 普通文件
对于普通文件来说，在数据空间放的就是文件中的数据。

- 目录文件

3）访问文件的过程

（a）第一步：搜索，找到xxx.txt文件

- /位置是固定的，先找到/的i节点空间

- 通过/的i节点空间，找到/数据空间

- 在/目录的数据空间，搜索/下的目录项，看看有没有叫xxx.txt的文件

+ 如果有：xxx.txt名字 —> xxx.txt目录项—>i节点编号—>i节点空间

+ 如果没有：OS返回一个错误信息给程序，提示操作的文件不存在。

（b）第二步：打开文件

（c）第三步：调用磁盘驱动程序，读写文件的数据

4）文件系统与磁盘驱动

1）文件系统

使用目录项、文件属性等信息来管理文件，搜索文件时，必须通过文件系统才能找到被管理的文件。

2）磁盘驱动

专门负责对磁盘上文件的读写操作：数据空间的读写操作属性空间的读写操作（文件i节点空间）

3）需要注意的是

对文件进行读写数据时，数据并不是一下子就写到文件中的，数据要经一系列缓存之后，驱动程序然后再将数写入文件
int main(void)
{
	char buf[100];
	int a;//a也是缓存，用于临时存放整形数
	struct student stu;//也是一个缓存，用于临时存放某个学生的信息
	
	
	scanf("%s", buf);//从键盘输入数据，并暂时缓存到Buf中去，
	//缓存是什么：缓存其实就是程序开辟出来的，用于临时存放数据的内存空间
	//我们程序中开辟出来的，一切的变量空间，统统都是用于存放数据的缓存
	
	int fd;
	fd = open("/xxx.txt", 只写);
	write(fd, "hello world", 11);//调用系统函数write，将应用程序buf（缓存）中的数据，捣腾到内核中缓存中去
	
	
	return 0;
}

5）文件系统简单总结

· OS是借助文件系统来管理文件的。
· OS会提供接口来对接具体的文件系统，在Linux下，对接具体文件系统的接口叫虚拟文件系统。

（零）操作系统基础