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现代的大多数计算机, 都遵循冯诺依曼体系
CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)输入… 计算机是如何工作的 冯诺依曼体系操作系统操作系统的概念与定位进程和任务操作系统对进程的管理PCB 的相关信息 冯诺依曼体系
现代的大多数计算机, 都遵循冯诺依曼体系
CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)输入设备: 用户给计算机发号施令的设备输出设备: 计算机个用户汇报结果的设备. CPU 内存 磁盘的比较 存储空间上 CPU 内存 磁盘 读取速率上 CPU 内存 磁盘 寄存器 和 内存 寄存器是CPU的一部分;寄存器, 和内存与磁盘相比, 存储空间更小, 访问速度更快, 成本更高, 掉电后数据丢失。寄存器的速度和内存的速度的差距是极大的3~4个级别寄存器的用途就是辅助 CPU 完成指令的执行一条指令不仅仅是指指令本身同时还有操作数操作数就是要在寄存器中保存的
由于 寄存器 和内存之间速度和空间上差异太大了难以协调工作CPU往往又引入了“缓存”来调和 寄存器 和 内存之间的速度。
CPU 上要进行一系列运算在运算过程中要反复使用到一组内存中的数据这些数据频繁使用需要频繁访问内存同时这些数据又比较多在寄存器里又存不下就可以放到缓存中了。
缓存的存储空阿金介于 寄存器 和 内存 之间
由于寄存器和内存之间差距太大了搞了一个缓存还不太够用后来又搞了一个。 操作系统
操作系统的概念与定位 操作系统是一个软件, 是一个搞管理的软件 对下,要管理好各种硬件设备对上, 要给各种软件提供好一个稳定的运行环境 例如: CPU, 内存, 硬盘, 各种IO设备 … 他们都是需要相互配合才能进行良好的工作的, 操作系统这个软件, 就是总指挥! 计算机如何给我们解决实际问题的? 依靠一些软件, 软件能够在操作系统上运行 硬件千差万别,如果每个写软件的人, 都需要考虑硬件的差别和兼容性, 这个事情门槛就非常搞了, 操作系统, 就把硬件屏蔽起来, 对软件这个里提供出一组API(系统调用), 让软件来进行调用 因此, 操作系统 和 JDBC 这个层面上干的是类似的工作
进程和任务
运行起来的程序叫做进程 程序就是一个可以执行的文件, 只是磁盘上的一个东西如果双击程序, 此时操作系统, 就会把可执行文件中的数据和指令, 加载到内存中, 并且让 CPU 去执行这里的指令, 完成一系列的相关的工作. 运行起来的(动态的程序) 就是进程了 进程能够干活, 说明进程能够消耗一定的硬件资源. 可执行程序, 只是占用了硬盘空间; 而进程, 会消耗 CPU资源, 内存资源, 硬盘, 网络带宽… 进程是系统分配硬盘资源的基本单位
操作系统对进程的管理 管理的概念 为什么需要管理进程? 一台正在运行的计算机, 一定会存在很多的进程正在运行;东西多了, 那很定就是需要进行管理, 才能让各个进程发挥自己的能力, 并将这些能力有效的组织起来, 高效的完成指定的工作 如何进行有效的管理? 管理不是面面俱到 不是手把手, 这样会不仅累, 还低效高效管理的两大步骤: 先描述, 在组织 先描述: 提取要管理对象的基本信息与属性, 使用结构体或者类将其描述起来 在组织: 选用合适的数据结构, 对于新来的对象, 就通过 add 方法, 将新来的对象添加到数据结构中, 此时对于对象的管理, 就转化成对数据结构的增删改查操作了。 操作系统对进程的管理的组织过程 描述: 会用使用一个专门的结构体, 来记录一个进程里面的各个属性 PCB (进程控制块) -- 通用叫法, 各种系统里面描述的进程部分都可以称为PCB 在Linux中PCB, 源码中是一个 task_struct 结构体 组织: 会使用一系列的数据机构, 把多个进程进行一个有效的组织, 随时方便进行遍历, 查找, 汇总数据 … 通常是使用双链表这样的方式来进行组织的 – 这个是对Linux来说的当使用双链表来组织的时候: a) 查看进程的列表, 本质就是在遍历这个链表b) 创建一个进程, 就是创建了一个 PCB结构体,并且插入到链表上c) 销毁一个进程, 本质就是把这个PCB结构体从链表上删除并释放
PCB 的相关信息
pid 进程的标识 同一个系统上, 统一时刻中, 每个进程的 pid 一定都是不同的 内存指针 表示了该进程, 对于的内存资源是什么样的主要存储的就是从 exe 可执行文件中加载过来的指令(二进制的指令, 都是在程序员开发这个程序的时候, 最终编译生成的结果,也就是程序员写代码的逻辑) 和 数据 指令相当于剧本, 进程就相当于表演的舞台 还需要保存一些运行过程中的中间结果之类的的数据 文件描述符表 和磁盘资源相关了磁盘是硬件, 应用程序一般是没法直接接触到 “硬件” 这一层的.实际上是操作系统抽象文件这样的概念, 程序操作的是文件, 文件实际上是存储在磁盘上的每个进程就会一个 “文件描述符表” 来记录 当前这个进程在使用哪些文件 操作系统在打开一个文件, 就会产生一个 “文件描述表”(就像文件的身份表示一样, 当然只是在进程内部生效的)同时会使用文件描述符表(类似数组), 包文件描述符组织起来 CPU 与 进程 之间的联系 进程是需要在CPU上来执行指令的 每个进程, 要想执行里面的指令, 完成对应的任务, 都需要在 CPU 上执行! 问题提出: 一台机器上, 进程同一时刻, 有百八十个, 但CPU只有一个? 怎么办? 轮着用就可以了, 进程的调度 CPU的发展历程 CPU一开始是单核的, 只能运行同时一个进程在上面运行摩尔定律: 芯片的集成程度会成倍增长, 算力会提供一倍, 成本会减半但是随着时间的增长, 摩尔定律就失效了, 因为芯片再小, 经典物理学就失效了, 量子物理学此时就生效了 – 所以芯片的继承程度不会一直增加集成程度失效了, 那就靠数量来凑 – 多核CPU又提出来超线程概念: 一个CPU可以同时跑两个进程现在的CPU就是多核多线程 – 例如六核十二线程 CPU虽然可以让多个进程同时在一起跑来了, 但是还是不能满足所有进程, 因为CPU是有限的, 进程的数量远大与CPU的数量, 解决方法就是轮着来, 以下是解决方案: 并行: 同一时刻, 两个进程, 同时运行在两个 CPU 逻辑核心上并发: 两个进程, 在同一个舞台上, 轮着上
由于 CPU 切换进程速度极快, 微观上, 这两进程是串行执行的; 宏观上, 看起来就是这两个进程在 “同时” 执行的操作系统, 在调度这些进程的时候, 可能是按照并行的方式来调度, 也可能按照并发的方式来调度, 在应用程序这一层, 感知不到~由于感知不到是哪种方式调度, 并且这两种的调度方式, 宏观上的体现效果都是一样的, 通常也会用 “并发” 这个词来代指 “并行” 和 “并发” PCB 中关于进程调度相关的属性(这些属性也就描述了 进程 对于的 CPU 资源的使用情况) – 需要重点掌握 状态 就绪状态: 一个进程已经随时做好了在CPU上执行的的准备 就绪状态的意思是: 可能在CPU上跑, 也可能没有在CPU上, 而是已经做好了被CPU调度的准备 阻塞状态 / 睡眠状态 : 有时候, 进程没有准备好呗调度到CPU上状态是可以相互转换的进程还有许多状态, 但是就绪和阻塞是最重要的两种状态 优先级 系统给进程进行调度的时候, 也是不完全公平的, 也会根据优先级的不同, 来决定事件的分配权衡 – 这样就可以把系统资源调配给更重要的进程上了 上下文 因为进程是轮着上的 – 所以一次执行, 大概率是无法完成指定的任务的, 这就需要保证下次上 CPU运行的时候, 能够找到上次运行的位置, 继续向后运行 就好像存档 读档一样 对于操作系统来说, 所记录的上下文是啥? 就是该进程在执行过程中, CPU寄存器中对应的数据 这些寄存器, 有的是存一些中间结果, 有的是存一些特定含义的数据(比如下一条指令时在哪里, 比如当前的函数调用关系…)这些寄存器中的数据就需要在进程离开 CPU之间, 都保存好保存到对应进程的 PCB 的上下文字段中(内存中)下次该进程回到 CPU 执行, 就可以把PCB中的上下文里的数据恢复到对应的寄存器中, 这个时候就是和上次执行的状态一模一样了 记账信息 相当于一个统计信息, 会统计每个进程在 CPU 上都执行了多久, 执行了多少指令.是对于进程调度工作的一个兜底用来调整如何分配给进程的调度时间 进程地址空间(虚拟地址空间) 进程地址空间提出的原因 每个进程都需要分配到系统资源, 内存也需要分配给进程; 如果内存直接分配给进程, 此时别的进程就可能看到其他进程的相关信息并将其修改, 导致其他的进程崩溃 并且, 直接分配内存空间, 会存在分配地址范围的不同, 且是未知的, 每个进程就需要对不同的地址进行不同的处理, 这样的代码编写会变得复杂. 所以为了解决上述的问题, 在进程和内存之间提出了一个进程地址空间的概念 进程地址空间的解决原理: 对于非法访问地址空间的问题: 进程现在只能找进程地址空间上的地址, 操作系统在对该进程地址空间上的地址进行判断, 如果是该进程的–也就是合法的, 那操作系统在通过该虚拟地址找到所对应的物理内存的地址, 如果虚拟地址是非法的, 那么操作系统就不会允许该进程使用该地址, 并直接向该进程发送中断信号.对于地址不统一, 编写代码复杂的问题: 每个进程得到都是用同样的进程地址空间, 进程地址空间设计的时候是一样的, 所以每一个进程看到自己的进程地址空间, 结构上都是一样的, 所以代码就可以统一对该进程地址空间进行编码, 对应实际物理内存空间就交给操作系统来分配了 进程间通信 进程地址空间将进程独立开来, 每个进程只能看到自己的资源, 无法看到别人的资源, 也就无法影响别的进程, 但是, 两个进程也就无法进行信息交流了但是, 有时候, 我们需要两个进程之间进行通信 – 所以, 我们就提出了进程间通信的概念进程间通信核心: 让两个不同的进程看到同一份资源!进程间通信方案: 基于文件 基于网络
