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做公众号商城原型的网站,互联网行业排行榜,网站建设哪里公司好,网站建设学多久目录 1、从计算机组成原理到冯诺依曼架构 计算机系统的组成 冯诺依曼体系 思考#xff1a;为什么计算机不能直接设计为 输入设备-CPU运算-输出设备 的结构#xff1f; 2、操作系统(Operator System) 概念 设计OS的目的 描述和组织被管理对象 3、进程 基本概念 进程id和父进程… 目录 1、从计算机组成原理到冯诺依曼架构 计算机系统的组成 冯诺依曼体系 思考为什么计算机不能直接设计为 输入设备-CPU运算-输出设备 的结构 2、操作系统(Operator System) 概念 设计OS的目的 描述和组织被管理对象 3、进程 基本概念 进程id和父进程id 进程 ID (PID) 父进程 ID (PPID) C语言利用系统调用接口获取PID、PPID 进程描述-PCB进程控制块 task_struct内容分类 查看进程 简单的进程监控脚本 在C语言中通过系统调用fork函数创建进程 fork() 系统调用 示例1使用 fork() 创建新进程并通过返回值区分父子进程 示例2使用 fork() 创建新进程并打印相关信息 4、进程状态 进程状态概览 僵尸状态(子进程结束却没被父进程回收) 形成僵尸进程的条件 僵尸进程的危害 示例代码创建并观察僵尸进程 孤儿状态(父进程结束子进程还在) 孤儿进程的形成 孤儿进程的处理 示例孤儿进程的形成和处理 5、进程调度与优先级 基本概念 查看系统进程 PRI 和 NI 操作在bash中通过pid调整特定进程优先级 6、环境变量操作系统的隐秘力量 基本概念 常见环境变量 查看和设置环境变量 环境变量的组织方式 示例1通过main函数参数获取 示例2通过extern变量获取 示例3通过getenv()和putenv()接口操作单个环境变量 环境变量和普通变量的区别环境变量具有全局属性 Linux进程 在现代计算机系统中Linux操作系统以其开源、灵活和强大的特性成为服务器和嵌入式系统的首选。了解Linux的进程管理机制对于系统管理员和开发者来说至关重要。 1、从计算机组成原理到冯诺依曼架构 计算机系统的组成 计算机组成原理告诉我们所有的计算机系统都由一下结构组成 输入设备如键盘和鼠标用于向计算机输入信息。中央处理器CPU计算机的大脑负责处理数据和执行命令。 CPU分为运算器和控制器 运算器——算数运算、逻辑运算 控制器——响应外部事件、如拷贝磁盘数据到内存当中 存储器内存RAM用于临时存储程序和数据。输出设备如显示器和打印机用于展示信息和打印文档。 冯诺依曼体系 冯·诺依曼架构的最关键特点是程序指令和数据都存储在内存中并且CPU可以直接访问内存来读取指令和数据。所有的输入和输出操作都是通过内存来进行的即数据首先被写入内存然后CPU从内存中读取数据进行处理处理结果再写回内存最后通过输出设备显示或打印出来。通俗的说CPU大脑只和内存打交道不和其它设备直接沟通。内存在冯诺依曼架构中充当中间件的作用。 笔记我们常说的IO流是指内存和外设之间的通信 思考为什么计算机不能直接设计为 输入设备-CPU运算-输出设备 的结构 其中一个原因是计算机需要存储程序和数据。如果没有存储器CPU将无法记住程序指令和处理的数据。但更本质的原因是CPU的运算速度远远超过大多数输入和输出设备如果没有内存作为数据缓冲区CPU在等待慢速的输入设备如键盘或鼠标提供数据或等待输出设备如打印机或显示器处理数据时将会浪费大量计算资源。(CPU的执行过程也是流水线 木桶原理告诉我们 计算总时间取决于木桶的短板~) 2、操作系统(Operator System) 操作系统Operating System简称OS是计算机系统中最基本的系统软件它负责管理和控制计算机硬件和软件资源。操作系统在整个计算机软硬件架构中定位为“管理”的软件它处于应用软件和硬件之间的中间层使用面向对象的思想先描述资源再管理资源使得用户能够方便地使用计算机。 概念 操作系统是一组程序它提供了计算机硬件和用户应用程序之间的接口。操作系统的主要功能包括 内核操作系统的核心部分负责进程管理、内存管理、文件系统管理和设备驱动程序管理等。其他程序如函数库、Shell命令行界面、图形用户界面GUI等这些程序为用户提供了与操作系统交互的接口。 设计OS的目的 与硬件交互操作系统是计算机硬件的直接管理者它通过内核与硬件进行交互实现对硬件资源的控制。管理软硬件资源操作系统负责分配和管理CPU时间、内存、存储设备和输入输出设备等资源。提供执行环境为用户程序应用程序提供执行所需的环境包括文件系统、网络通信、安全机制等。 描述和组织被管理对象 硬件资源CPU、内存、存储设备、输入输出设备等。软件资源用户程序、系统程序、库文件等。 3、进程 基本概念 课本概念进程是程序的一个执行实例是正在执行的程序。内核观点进程是分配系统资源如CPU时间和内存的实体。 进程id和父进程id 进程 IDProcess IDPID和父进程 IDParent Process IDPPID是操作系统中用于标识和管理进程的关键属性 进程 ID (PID) 每个运行中的进程都有一个唯一的数字标识符称为 PID。PID 是由操作系统分配的用于区分系统中的每个进程。它通常从1开始递增但操作系统重启后会重置。可以通过命令如 ps 来查看系统中所有进程的 PID。 父进程 ID (PPID) 每个进程都有一个父进程除了初始进程通常 PID 为1 的进程如 init 进程。PPID 是指启动当前进程的父进程的 PID。父进程可以控制子进程的执行例如发送信号、终止子进程等。当父进程终止时子进程通常会被 init 进程接管init 进程的 PID 通常为 1. C语言利用系统调用接口获取PID、PPID getpid()这是一个系统调用用于获取调用进程的 PID。getppid()这也是一个系统调用用于获取调用进程的父进程的 PID。 #include stdio.h #include sys/types.h #include unistd.hint main() {printf(pid: %d\n, getpid());printf(ppid: %d\n, getppid());return 0; } 进程描述-PCB进程控制块 PCB是存储进程信息的数据结构进程的属性集合被存储在PCB中。在Linux操作系统中描述进程的结构体是task_struct。在Linux内核源代码中所有进程以task_struct双向链表的形式被组织起来 task_struct内容分类 标示符进程的唯一标识符。状态包括任务状态、退出代码、退出信号等。优先级进程相对于其他进程的优先级。程序计数器指向程序中即将执行的下一条指令的地址。内存指针指向程序代码、进程数据以及共享内存的指针。上下文数据处理器寄存器中的数据用于进程切换时保存和恢复状态。I/O状态信息包括I/O请求、分配的I/O设备和使用的文件列表。记账信息可能包括处理器时间、使用的时钟数、时间限制和账号信息。other… 查看进程 目录/proc下存在进程的相关信息(进程产生时创建、销毁时删除目录名为进程PID)进程信息可以通过/proc系统文件夹查看例如/proc/1包含PID为1的进程信息。用户级工具如top和ps也可以用来获取进程信息。 常用命令解释ps axj | head -1 ps axj | grep … ps axj ps进程状态命令。 ax显示所有进程包括其他用户的进程。a 表示显示其他用户的进程x 表示显示没有控制终端的进程。 j使用 jobs 格式来显示进程信息这种格式将进程的相关信息以易于阅读的方式展示包括进程的父子关系。 head -1 head一个命令用于显示文件的开始部分默认情况下显示前10行。 -1选项表示只显示一行。在这个上下文中它与 ps axj 结合使用只显示进程列表的第一行这通常是列标题。 ps axj | head -1用于打印ps命令字段含义。 逻辑与操作符。用来执行前后两条命令则执行后面的命令。 grep … grep一个文本搜索工具用于搜索包含指定模式的行。 …需要搜索的进程名称。 ps axj | grep …用于打印ps命令经过grep命令筛选后特定的字段内容。 首先显示所有进程的标题行如果成功显示则继续执行第二个命令即显示所有进程的列表并过滤出包含特定模式的进程。 简单的进程监控脚本 在ps axj | head -1 ps axj | grep …的基础上可以设计一个循环shell脚本一秒钟查询一次进程状态。 while :; do ps axj | head -1 ps axj | grep …; echo ; sleep 1; done 在C语言中通过系统调用fork函数创建进程 fork() 是一个在 Unix 和类 Unix 操作系统中创建新进程的系统调用。它是进程创建的基础并且是多任务和多线程编程中非常重要的一部分。 fork() 系统调用 fork() 创建一个新的进程这个新进程是调用进程的一个副本。fork() 返回两次一次在父进程中返回子进程的 PID一次在子进程中返回 0。如果 fork() 调用失败它会在父进程中返回 -1并且设置全局变量 errno 以指示错误。fork() 之后父进程和子进程将从 fork() 调用之后的代码点继续执行这可能导致代码的重复执行。通常使用 if 语句来区分父进程和子进程的行为。子进程继承了父进程的所有资源但是它们拥有不同的 PID 和 PPID。在使用 fork() 创建大量子进程时需要考虑资源限制和僵尸进程问题(后续进程状态介绍)。 示例1使用 fork() 创建新进程并通过返回值区分父子进程 #include stdio.h #include sys/types.h #include unistd.hint main() {int ret fork();if (ret 0) {perror(fork);return 1;} else if (ret 0) { // 子进程printf(I am child : %d!, ret: %d\n, getpid(), ret);} else { // 父进程printf(I am father : %d!, ret: %d\n, getpid(), ret);}sleep(1);return 0; } 示例2使用 fork() 创建新进程并打印相关信息 #include stdio.h #include sys/types.h #include unistd.hint main() {int ret fork();printf(hello proc : %d!, ret: %d\n, getpid(), ret);sleep(1);return 0; } 4、进程状态 Linux 系统中的进程管理是操作系统的核心功能之一。Linux内核定义了多种进程状态包括运行R、睡眠S、不可中断睡眠D、停止T、追踪停止t、死亡X和僵尸Z。 进程状态概览 在 Linux 内核中进程或称为任务可以处于以下状态 运行状态 (R - Running) 进程正在使用 CPU或者在 CPU 运行队列中等待被调度。睡眠状态 (S - Sleeping) 进程正在等待某个事件发生如网络响应或文件 I/O 完成。这种睡眠是可中断的进程可以被唤醒。磁盘休眠状态 (D - Disk Sleep) 进程正在进行 I/O 操作如磁盘读写但无法被中断。这种状态也称为不可中断睡眠状态。停止状态 (T - Stopped) 进程被 SIGSTOP 信号停止通常用于调试或系统管理。进程可以通过 SIGCONT 信号恢复运行。追踪停止状态 (t - Tracing Stop) 进程因为某些原因被系统调用或工具追踪并停止通常用于系统分析和监控。死亡状态 (X - Dead) 进程已经结束其执行但尚未从进程表中完全移除。这是一个过渡状态系统将很快回收其资源。僵尸状态 (Z - Zombie) 进程已经结束但父进程尚未读取其退出状态。僵尸进程占用系统资源尤其是进程 ID直到父进程调用 wait() 或 waitpid() 函数。 /*

• The task state array is a strange bitmap of
• reasons to sleep. Thus running is zero, and
• you can test for combinations of others with
• simple bit tests. */ static const char * const task_state_array[] { R (running), /* 0 / S (sleeping), / 1 / D (disk sleep), / 2 / T (stopped), / 4 / t (tracing stop), / 8 / X (dead), / 16 / Z (zombie), / 32 / }; 僵尸状态(子进程结束却没被父进程回收) 僵尸进程Zombie Process是 Linux 和类 Unix 系统中一种特殊的进程状态。在这种状态下进程已经完成其执行但它的进程描述符PCB仍然保留在系统中。这种状态的进程不占用 CPU 资源但它们仍然占用一个进程 IDPID和其他一些资源。 形成僵尸进程的条件 子进程退出子进程完成其任务后调用 exit() 或者返回从 main() 函数这会导致子进程退出。父进程未读取状态如果父进程没有调用 wait() 或 waitpid() 来读取子进程的退出状态子进程就会变成僵尸状态。 僵尸进程的危害 占用进程 ID僵尸进程继续占用一个进程 ID这在系统资源有限的情况下可能是个问题。内存泄漏虽然僵尸进程不占用 CPU 资源但它们仍然保留在进程表中进程表本质是一个结构体也需要占用系统内存资源造成了内存泄露 示例代码创建并观察僵尸进程 #include stdio.h #include stdlib.h #include unistd.hint main() {pid_t id fork();if (id 0) {perror(fork);return 1;} else if (id 0) { // 父进程printf(Parent[%d] is sleeping…\n, getpid());sleep(30); // 父进程睡眠不读取子进程状态形成僵尸进程} else if(id 0){ // 子进程printf(Child[%d] is beginning…\n, getpid());sleep(5);exit(0);}return 0; } 程序开始时父进程被创建。父进程通过 fork() 创建子进程。子进程打印开始消息休眠5秒然后退出。父进程打印正在睡眠的消息然后休眠30秒。由于父进程在sleep时间内不检查子进程的状态子进程在退出后会变成僵尸进程。 孤儿状态(父进程结束子进程还在) 孤儿进程Orphan Process是其父进程已终止但子进程仍在运行的进程。在类 Unix 系统中孤儿进程会被 init 进程通常是 PID 为 1 的进程领养并最终由 init 进程回收。 孤儿进程的形成 父进程退出父进程由于某种原因如正常退出、被终止等而结束运行。子进程仍在运行在父进程退出时如果有任何子进程仍在运行这些子进程就会变成孤儿进程。 孤儿进程的处理 init 进程领养系统会自动将孤儿进程的父进程设置为 init 进程PID 为 1。状态变更孤儿进程在结束运行后会进入僵尸状态Zombie State等待 init 进程读取其退出状态。资源回收init 进程会周期性地检查并回收孤儿进程的资源包括其进程描述符等。 示例孤儿进程的形成和处理 #include stdio.h #include stdlib.h #include unistd.h #include sys/types.hint main() {pid_t pid fork(); // 创建子进程if (pid 0) {perror(fork failed);exit(EXIT_FAILURE);}if (pid 0) {// 子进程printf(Child process, PID: %d, PPID: %d\n, getpid(), getppid());// 子进程继续运行模拟父进程退出后的场景sleep(10);} else {// 父进程退出子进程成为孤儿进程printf(Parent process, PID: %d, exiting and leaving child orphaned.\n, getpid());sleep(3);_exit(0);}// 子进程代码不会被执行因为父进程已经退出return 0; } 在这个示例中父进程创建了一个子进程然后立即退出。这导致子进程成为孤儿进程。在实际系统中init 进程会接管这个孤儿进程并在其退出后回收资源。 5、进程调度与优先级 在 Linux 系统中进程优先级决定了 CPU 资源的分配顺序。进程优先级可以通过nice值调整nice值的范围是-20至19nice值越小进程优先级越高。进程调度是操作系统的核心功能之一它决定了进程执行的顺序。 基本概念 进程优先权Priority决定了进程被 CPU 执行的先后顺序。优先权高的进程会优先获得 CPU 时间。多任务环境在多任务环境中合理配置进程优先级可以显著改善系统性能。 查看系统进程 在 Linux 或 Unix 系统中可以使用 ps -l 命令来查看系统进程列表。 输出将包括以下重要信息 UID用户 ID表示执行进程的用户身份。PID进程 ID是进程的唯一标识。PPID父进程 ID表示该进程是由哪个父进程创建的。PRI进程的优先级。NInice 值表示进程优先级的修正数值。 PRI 和 NI PRI进程的原始优先级数值越小表示优先级越高。NInice 值用于调整进程的优先级。计算新的优先级公式为 PRI(new) PRI(old) NI。nice 值的范围从 -20 到 19共 40 个级别。正值表示降低进程优先级负值表示提高进程优先级。 注意nice 值不是进程的优先级而是进程优先级允许调整的范围。可以将其视为对原始优先级的一个修正。通过调整 nice 值可以控制进程的相对优先级从而影响 CPU 资源的分配。 最终操作系统更具PRI(new)的值按从小到大的优先级执行。 操作在bash中通过pid调整特定进程优先级 使用 top 命令可以动态查看进程优先级。按 r 键来调整指定pid进程的 nice 值。 6、环境变量操作系统的隐秘力量 引入我们知道在 Linux 系统中确实“一切皆文件”命令的本质是一个可执行程序大部分是c语言编译而来的可执行程序命令名其实就是文件名命令可以不需要完整路径就能执行。例如只需要输入ls命令就可以执行对应的程序获取目录内的文件。但是为什么我们自己写的程序必须要带完整的文件路径才可以执行./main而命令程序只需要文件名即可这背后的原理涉及到 Linux 的文件系统和环境变量尤其是 PATH 环境变量。 基本概念 环境变量为操作系统、系统上的应用程序和用户shell提供了一个传递配置信息的方法。它们可以告诉系统在哪里找到所需的文件如何配置特定的程序或者在shell中定义别名等。 常见环境变量 PATH定义了操作系统搜索可执行文件的目录顺序。例如当你在终端输入一个命令时系统会在PATH变量指定的目录中查找这个命令发现相应文件就可以直接执行(相当于自动补全文件路径)。当我们把我们自己写的代码目录放入PATH环境变量之后也能向命令一样只需要输入文件名即可执行。(相关的修改操作后半部分介绍~) HOME指向用户的主目录。当你登录系统时这是你的默认工作目录。SHELL表示当前用户使用的shell类型通常的值是/bin/bash。 查看和设置环境变量 查看环境变量可以使用echo \(NAME命令来打印特定的环境变量值其中NAME是环境变量的名称。设置环境变量 使用export命令创建或修改环境变量如export PATH\)PATH:/new/directory/path。使用env命令可以查看所有当前的环境变量。清除环境变量使用unset命令可以删除一个环境变量。显示所有本地变量使用set命令可以显示当前shell会话中定义的所有本地变量和环境变量。 1. echo: 显示某个环境变量值 2. export: 设置一个新的环境变量 3. env: 显示所有环境变量 4. unset: 清除环境变量 5. set: 显示本地定义的shell变量和环境变量 环境变量的组织方式 程序在运行时main函数第三个参数(也是最后一个参数)会被转入一张环境变量表 示例1通过main函数参数获取 #includestdio.h int main(int argc, char argv, char** env) {int i 0;while(env[i]){printf(env[%d]-%s\n,i,env[i]);i;}return 0; } 示例2通过extern变量获取 #include stdio.h int main() {extern char **environ;int i 0;for(; environ[i]; i){printf(env[%d]-%s\n, i, environ[i]);}return 0; } 示例3通过getenv()和putenv()接口操作单个环境变量 getenv 和 putenv 是两种用于处理环境变量的函数它们分别用于获取和设置环境变量的值。下面是对这两个函数的介绍包括它们所属的头文件、函数原型、参数、返回值以及一些使用示例。 getenv 头文件#include stdlib.h函数原型 char *getenv(const char *name); 参数 name一个指向以 null 结尾的字符串的指针指定要查询的环境变量名称。返回值 如果环境变量存在返回指向该环境变量值的指针。如果环境变量不存在返回 NULL。 #include stdio.h #include stdlib.hint main() {const char *homeDir getenv(HOME);if (homeDir ! NULL) {printf(The HOME environment variable is set to: %s\n, homeDir);} else {printf(The HOME environment variable is not set.\n);}return 0; } putenv 头文件#include stdlib.h在某些系统上可能需要 #include unistd.h函数原型 int putenv(char *string); 参数 string一个指向以 null 结尾的字符串的指针该字符串应该包含环境变量的名称和值格式为 namevalue。返回值 成功时返回 0。失败时返回非零值。 #include stdio.h #include stdlib.h #include unistd.hint main() {// 设置环境变量const char *envVar MY_VARvalue;if (putenv((char *)envVar) 0) {printf(Environment variable set successfully.\n);} else {perror(Failed to set environment variable);}// 验证设置是否成功const char value getenv(MY_VAR);if (value ! NULL) {printf(MY_VAR is now set to: %s\n, value);} else {printf(MY_VAR is not set.\n);}return 0; } 使用 putenv 时传入的字符串 string 必须以 namevalue 的格式存在并且 string 指向的内存在函数调用后不应被释放或修改因为 putenv 可能会修改这个字符串。在多线程环境中使用 putenv 可能不是线程安全的。在这种情况下可以考虑使用 setenv 和 unsetenv如果可用这些函数提供了线程安全的替代。环境变量的更改通常只影响当前进程及其子进程不会影响其他进程或父进程的环境变量。 环境变量和普通变量的区别环境变量具有全局属性 环境变量具有全局属性意味着它们可以在操作系统的不同进程之间共享。当一个程序运行时它通常会从其父进程那里继承环境变量。这种继承机制允许程序访问由操作系统或其它程序设置的配置信息。 当你在命令行中设置一个环境变量比如使用 export my_env lihongyu 命令实际上是在当前的shell会话中设置了这个变量。这个变量会立即在当前shell会话中可用并且所有从这个shell启动的子进程也会继承这个变量。 如果你只设置环境变量而不使用 export 命令比如 my_envlihongyu那么这个变量只会在当前的shell会话中存在而不会被子进程继承。这是因为只有通过 export 命令变量才会被标记为可导出从而被子进程继承。 #includestdio.h #includestdlib.h int main() {const char env getenv(my_env);if(env){printf(%s\n, env);}return 0; } 一个简单的实验发现环境变量的继承和普通变量的区别在于 作用域普通变量只在当前shell会话中有效而环境变量可以跨会话和进程边界。继承环境变量可以被子进程继承而普通变量则不能。生命周期普通变量的生命周期仅限于当前shell会话环境变量则可以持续存在于操作系统中直到被显式地修改或删除。