初識程式（一）——作業系統，程式管理，程式狀態

一、馮諾依曼體系結構

目前我們認識的計算機都是由一個個硬體組成

• 輸入單元：鍵盤，滑鼠，掃描器等
• 輸出單元：顯示器，印表機
• 中央處理器（cpu）：含有運算器和控制器

關於馮諾依曼體系，必須強調幾點：

• 儲存器是指記憶體
• 不考慮快取的情況，cpu只能對記憶體進行讀寫，不能訪問外設
• 外設要輸入或輸出資料，也只能從記憶體裡讀取
• 所有裝置都只能和記憶體打交道

二、作業系統（operate system）

作業系統是一個基本的程式集合，常見的作業系統有Windows，Linux，Unix，安卓等。作業系統包括

• 核心：（程式管理，記憶體管理，檔案管理，驅動管理）
• 其他程式（函式庫，shell程式等）

設計os的目的：

• 與硬體互動，管理所有的軟硬體資源
• 為使用者程式（應用程式）提供一個良好的執行環境

定位：作業系統是一款純正的“搞管理”的軟體

• 對上：提供良好的執行環境
• 對下：進行資源管理

如何理解作業系統的“管理”？

作業系統的管理即將被管理的物件描述起來，組織起來

• 管理者：作業系統
• 被管理者：硬體
• 管理：通過資料進行
• 作業系統通過驅動程式獲取硬體的資料來管理硬體，作業系統不會直接和硬體打交道

就像一個學校，校長是管理者（os），我們是被管理者（硬體），校長不會直接管理我們，而是通過輔導員等對我們進行管理。校長下達命令，由輔導員來執行（將物件組織起來）。而每個學校的資料庫中都存有每個學生的資訊，各學期的成績等（將物件描述起來）

所以作業系統管理硬體就是：

1. 描述起來，用struct結構體
2. 組織起來，用連結串列或其他更高效的資料結構

系統呼叫和庫函式的概念：

• 在開發角度，作業系統對外表現為一個整體，只會暴露自己的部分介面，供上層開發使用，者部分由作業系統提供的介面，就叫系統呼叫
• 系統呼叫在使用上，功能比較基礎，對使用者的要求也比較高，所以開發者對部分系統呼叫進行了適度的封裝，從而形成了庫。
• 庫是對系統操作的一層封裝

vs是整合開發環境，所有的功能全都放在一起

Linux上的每個工具都是獨立的一部分，（vim，gcc，gdb）

三、程式：

作業系統對程式的管理，就是將程式描述起來，將程式組織起來

基本概念：

• 程式的一個執行例項，正在執行的程式
• 擔當分配系統資源（cou時間，記憶體）的實體

程式——載入到記憶體（馮諾依曼體系決定）——程式——描述起來（tack_struct）——組織起來（連結串列)

描述程式——PCB：

• 程式的相關資訊都被放在一個叫做程式控制塊的資料結構中，可以理解為程式屬性的集合
• Linux作業系統下的PCB被叫做task_struct，task_struct是Linux核心的一種資料結構，他會被價值到記憶體裡並且包含著程式的資訊

task_struct（程式控制塊）的內容：

1. 識別符號：每個程式都有一個識別符號，可以看成是標籤，用來區分其他程式
2. 狀態：程式當前的任務狀態，退出程式碼，退出訊號等
3. 優先順序：相對於其他程式的優先順序
4. 程式計數器（eip）：程式中即將被執行的下一條指令的地址
5. 記憶體指標：包括程式程式碼和程式的相關資料的指標，還有其他程式共享的記憶體塊的指標
6. 上下文資料：程式執行時處理器的暫存器中的資料，
7. I/O狀態資訊：包括顯示的I/O請求，分配給程式的I/O裝置和被程式使用的檔案列表
8. 記賬資訊：可能包括處理器時間總和，使用的時鐘總和，時間限制，記賬號等
9. 其他資訊

程式組織：

所有執行在系統裡的程式都以task_struct連結串列（ 雙連結串列）的形式存在在核心裡

檢視程式：

程式資訊可以通過/proc系統資料夾檢視，在Linux下用 ps -l命令可以檢視當前目錄下所有程式的部分資訊

同樣我們也可以使用top和ps這些使用者級工具來獲取，如獲取程式

• 如：我們要獲取PID為1的程式資訊，需要檢視/proc/1這個資料夾
• ps aux | grep 6151      或    ps axj | grep 6251
• top aux | grep 6151

獲取程式的識別符號：

• 程式id ：PID；getpid();
• 父程式id：PPID；getppid（）；
• 同一個程式，每次呼叫，程式的pid不同

下面我們通過簡單的程式碼獲取程式的識別符號

通過系統呼叫建立程式——fork初識：

• fork有倆個返回值
• 成功：子程式返回0，父程式返回子程式的id（子程式只有一個父程式，而父程式可以有多個子程式）
• 失敗：子程式返回errno，並不被建立，父程式返回-1；
• 父子程式程式碼共享，資料個開闢一份空間，私有一份（採用寫時拷貝）
• fork之後要有if分流

程式狀態：

• R執行狀態：表明程式要麼正在執行，要麼在執行佇列裡
• S睡眠狀態：也叫淺度睡眠，可中斷睡眠，意味著等待事件完成
• D磁碟休眠狀態：也叫深度睡眠，不可中斷睡眠，這個狀態的程式退出會等待IO的結束
• T停止狀態：可以通過傳送SIGSTOP訊號給程式，用來停止該程式，這個被暫停的程式可以使用訊號SIGCONT讓程式繼續進行
• X死亡狀態：這個狀態只是一個返回狀態，任務列表中看不到這個狀態的程式
• 除此之外還有殭屍程式，孤兒程式等

D狀態不執行任務也不能被喚醒的狀態，且不能被kill，所以如果記憶體中有多個D狀態的程式，就會使作業系統記憶體不足，導致系統當機

可以通過訊號修改程式的狀態：

訊號：共64個

• 1~31（普通訊號）
• 34~64（實時訊號）

一些常用的訊號：

• kill -l：檢視所有訊號
• kill -SIGSTOP pid
• kill -SIGCONT pid
• kill -SIGKILLpid   //9號訊號——SIGKILL（尚方寶劍，可以殺死大多程式）

也可以通過訊號的序號使用相應的訊號

• kill -9 6233  //殺死pid = 6233的程式