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【Linux】浅谈冯诺依曼和进程

article 2025/3/14 10:12:53

一、冯诺依曼体系结构

在这里插入图片描述
冯诺依曼由 输入设备、输出设备、运算器、控制器、存储器 五部分组成。

冯诺依曼的设计特点

二进制表示
所有数据（包括程序指令）均以二进制形式存储和运算，简化了硬件逻辑设计，提高了可靠性。
存储程序原理程序与数据共同存储于同一存储器中，且程序可像数据一样被修改。
顺序执行机制指令按线性顺序逐条执行，由程序计数器（PC）控制执行流程。
指令结构每条指令由操作码（定义操作类型）和地址码（指定操作数位置）组成。

冯诺依曼体系结构的作用

引言： 外设和 CPU 读取速度完全不一样，如果外设和 CPU 直接进行数据交互，就会导致 CPU 读取速度非常缓慢。但 冯诺依曼体系结构 就解决了这种问题，那它是怎么解决的呢？

内存作为缓冲区
冯·诺依曼体系结构将内存作为CPU和外设之间的缓冲区。外设将数据写入内存，CPU再从内存读取数据进行处理。这种设计解决了CPU与外设之间速度不匹配的问题。例如，外设（如硬盘）的读写速度远低于CPU，通过内存作为中间存储，可以避免CPU长时间等待外设完成操作。
中断机制
冯·诺依曼体系结构引入了中断机制，以优化CPU与外设之间的交互。外设在完成数据写入内存后，会发送中断信号通知CPU。CPU在收到中断信号后，再读取内存中的数据进行处理。这种方式避免了CPU轮询外设状态的低效操作，使得CPU可以将更多时间用于执行其他任务。
数据传输的统一性
在冯·诺依曼体系结构中，所有数据（包括程序指令和外设数据）都通过内存进行交互。这种统一的数据流动模式简化了硬件设计，使得CPU只需要支持对内存的读写操作，而无需直接处理多种外设协议。
存储分级
冯·诺依曼体系结构通过存储分级（如寄存器、缓存、内存、外存）来优化数据访问速度。内存作为中间层，其访问速度远高于外设，但低于CPU缓存和寄存器。通过这种分级设计，数据可以按需在不同存储层级之间流动，从而提高整体效率。
操作系统与驱动程序的支持
操作系统通过驱动程序将外设的复杂操作抽象成统一的接口，进一步优化了CPU与外设之间的数据交互。驱动程序可以动态更新，以支持新功能，而无需修改硬件。

二、操作系统（Operator System）

概念

操作系统（Operating System，简称OS） 是管理计算机硬件与软件资源的系统软件。它提供用户接口和资源分配，是计算机系统中最基本的系统软件，任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，统称为 操作系统（OS） 。
简单来讲， 操作系统 包含：

内核（进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理）
其他程序（函数库、shell程序等）

设计OS的目的

对下，与硬件交互，管理所有软硬件资源
对上，为用户程序提供一个良好的运行环境

OS如何管理软、硬件

OS 是怎么管理软、硬件的呢？，简单6个字就可以总结：先描述，再组织

先描述 ：描述起来，用 struct 结构体来描述
再组织 ：通过数据结构报 struct 结构体组织起来，用链表或其他数据结构（队列、哈希等）组织起来

进程

上面讲了 OS 是怎么将软硬件资源管理起来的，那么对于进程也是再这样吗？答案是肯定的

概念

进程信息被放在一个叫做 进程控制块 的数据结构中，可以理解为描述进程属性的结构体
课本上称之为 PCB （process control block）, Linux 操作系统下的PCB叫做 task_struct,是一种结构体

task_struct （描述进程）

task_struct 中的进程属性很多，我在这里描述其中的一部分：
3. 标识符：描述本进程的唯一标识符，用来区别其他进程
4. 状态：任务状态，退出代码，退出信号等
5. 优先级：用来描述进程被调度的先后的数字，数字小的优先级高，数字大的优先级低，和成绩排名有异曲同工之妙
6. 程序技术器（PC）：表示程序中即将执行的下一条指令的地址
7. 内存指针：包括程序代码和进程相关数据的指针，还有和其他进程共享内存块的指针
8. 上下文数据：进程执行时处理器的寄存器中的数据，主要包括：
CPU寄存器的值：包括程序计数器（PC）、指令寄存器、堆栈指针等。
内存映射信息：进程的虚拟内存空间布局。
进程状态：如运行状态、阻塞状态、就绪状态等。
I/O状态：与进程相关的输入输出设备的状态。
其他系统资源的状态：如文件描述符、信号状态等。
9. I / O状态信息：包含显示的 I / O 请求，分配给进程的 I / O 设备和被进程使用的文件链表
10. 记账信息：可能包括处理器时间总和，使用的时钟数总和，时间限制，记账号的等。

组织进程

PCB 在内核中使用双链表进程链接起来的
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查看进程

通过 /proc 系统文件夹来查看
通过 top 和 ps 这些用户工具来获取进程信息
top: top -p [pid]

ps: ps axj

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通过系统调用获取进程标识符

获取进程id （PID）：getpid()
父进程id （PID）: getppid()
通过手册来查看相关系统调用：man 2 getpid

通过系统调用fork创建子进程

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通过 fork 创建的子进程和父进程共享同一份代码，但数据是各自私有的（写时拷贝）（其中 pid_t 的类型其实是一个有符号整数类型，取了个别名而已，当 fork() 返回值为 0 时就表示子进程，当 fork() 返回值大于0时，表示的就为父进程。）
至于为什么数据各自私一份，有我们通过一个程序就可以看出来

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    int val = 0;
    pid_t id = fork();
    if(id == 0)//表示子进程
    {
        while(1)
        {
            printf("我是子进程，pid: %d ,ppid: %d, val = %d\n",getpid(),getppid(),val++);
            sleep(1);
        }
    }
    else//父进程
    {
        while(1)
        {
            printf("我是父进程，pid: %d ,ppid: %d, val = %d\n",getpid(),getppid(),val);
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

程序运行结果：
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可以看到父进程和子进程的 val 的值并不是一样的，我们就可以得出父子进程并不共享同一份数据的结论

进程状态

进程状态有很多种：

R运行状态：并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么在运行中，要么在运行队列中（运行队列用于管理处于“就绪状态”（Ready State）的进程。这些进程已经准备好运行，但正在等待 CPU 时间片分配。当调度器选择一个进程运行时，它会从运行队列中选取一个进程，并将其状态从“就绪”变为“运行”。）
S睡眠状态：以为着进程在等待事件完成（也叫做可中断睡眠）
注意： 以下有个场景可能让人误会为是 R 状态，但其实是 S 状态


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main()
{
    int cnt = 0;
    while(1)
    {
        printf("pid: %d,cnt = %d\n",getpid(),cnt++);
    }
    return 0;
}

~

这里可能很多认为进程的状态是R状态，其实不然，这里的进程状态其实大部分都是S+（+表示是前台进程）状态，为什么呢？因为进程这里大部分时间都在做IO交互，IO的时间是很慢的，所有看不到R状态
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表示每隔1秒查看对应名为code进程的信息：while :;do ps axj | head -1 && ps axj | grep code | grep -v grep;sleep 1 ; done

D磁盘休眠状态：有时候叫做不可中断状态（不会响应信号），在这个状态等待IO的结束
T停止状态：可以通过发送 SIGSTOP 信号来给进程停止（T）进程。这个被暂停的进程可以通过发送 SIGCOUT 信号让进程继续执行
X死亡状态：这是一个返回状态，你不会在任务列表中看到这个状态，因为这是一个瞬时状态，一下就消失了
Z僵死状态：是一个比较特殊的状态。当进程退出并且父进程没有读到子进程返回的退出码时，子进程就会除以一个僵死状态。僵死状态会以终止状态保持在进程表中，并且会一直等待父进程读取退出状态代码（通过 kill -9 pid 杀死子进程就可以看到子进程处于僵死状态）

僵死状态危害

没创建一个子进程就需要一个 PCB ，如果父进程创建了很多子进程，而没有去回收就会造成内存资源的浪费

孤儿进程

父进程如果提前退出，子进程就会变成孤儿进程，孤儿进程就会被1号 init 也就是操作系统启动后第一个运行的用户空间程序
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进程优先级

基本概念

cpu资源分配的先后顺序，就是进程的优先权。
优先级高的进程有优先执行权利。
UID : 代表执⾏者的⾝份
PID : 代表这个进程的代号
PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍⽣⽽来的，亦即⽗进程的代号
PRI ：代表这个进程可被执⾏的优先级，其值越⼩越早被执⾏
NI ：代表这个进程的nice值（修正优先级数值的）

其中 PRI（new） = PRI（采用默认值80） + nice

更改进程nice值

通过更改进程 nice 来改变进程优先级
用 top 命令来改变进程 nice 值：

进入top后按 “r” -> 输入进程PID -> 输入nice值

进程竞争、独立、并行、并发

竞争：本质是僧多粥少，系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，所以进程之间具有竞争属性，为了更高效的完成任务，更合理竞争相关资源，于是就有了优先级
独立：多进程在运行时，需要独享各种资源，进程之间互不干扰，就算一个进程挂掉了，也不影响另一个进程，而如果线程挂掉了，不仅会影响其他进程，可能还会导致进程挂掉。
并行：多个进程在多个CPU下同时进行运行
并发：多个进程在同一个CPU资源下采用进程切换的方式，在同一段时间之内，让多个进程都得以推进

进程切换

在多任务操作系统中，多个进程会共享有限的 CPU 资源。为了实现高效的资源利用和良好的用户体验，操作系统需要在这些进程之间切换 CPU 的控制权。这种切换通常发生在以下几种情况：

时间片用完：在时间片轮转（Round Robin）调度算法中，当一个进程的时间片用完时，操作系统会将 CPU 切换到另一个进程。
进程阻塞：当一个进程因为等待 I/O 操作（如磁盘读写、网络通信）而阻塞时，操作系统会将 CPU 切换到另一个就绪的进程。
更高优先级的进程就绪：当一个更高优先级的进程进入就绪队列时，操作系统可能会抢占当前运行的进程，将 CPU 切换到优先级更高的进程。
系统调用或中断：当进程执行系统调用或发生中断时，操作系统可能会触发进程切换。
进程切换的过程
进程切换是一个复杂的过程，涉及到多个步骤，主要包括以下内容：
2.1 保存当前进程的上下文
当操作系统决定切换进程时，首先需要保存当前运行进程的上下文信息。上下文信息包括：
CPU 寄存器的值：如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、堆栈指针（SP）等。
进程状态：如运行状态、就绪状态或阻塞状态。
内存映射信息：如页表或段表。
I/O 状态：如打开的文件描述符、设备状态等。
这些上下文信息通常被保存在进程控制块（PCB，Process Control Block）中，或者在内核栈中。
2.2 更新进程状态
操作系统会更新当前进程的状态，将其从“运行状态”（Running State）改为“就绪状态”（Ready State）或“阻塞状态”（Blocked State），具体取决于进程为何被切换出去。
2.3 选择下一个要运行的进程
操作系统通过调度器（Scheduler）选择下一个要运行的进程。调度器会根据调度算法（如先来先服务、时间片轮转、优先级调度等）从就绪队列中选择一个进程。
2.4 恢复新进程的上下文
操作系统从新进程的 PCB 或内核栈中恢复其上下文信息，包括：
将寄存器的值恢复到 CPU 寄存器中。
更新内存映射信息。
恢复 I/O 状态。
2.5 将 CPU 控制权交给新进程
操作系统将 CPU 的控制权交给新进程，新进程从上次被中断的地方继续执行。
进程切换的开销
进程切换是一个相对昂贵的操作，因为它涉及到大量的上下文保存和恢复工作。每次切换都会消耗一定的 CPU 时间，具体开销包括：
寄存器保存和恢复：保存和恢复 CPU 寄存器的值。
内存映射切换：更新页表或段表。
调度器开销：选择下一个进程的开销。
缓存失效：切换进程可能导致 CPU 缓存失效，新进程需要重新加载数据到缓存中。
因此，操作系统会尽量减少不必要的进程切换，以提高系统性能。
示例：进程切换的场景
假设系统中有两个进程 A 和 B，它们共享 CPU 资源。以下是进程切换的一个简单示例：
进程 A 运行：
进程 A 正在 CPU 上运行，执行某些任务。
时间片用完，操作系统决定切换进程。
保存进程 A 的上下文：
操作系统保存进程 A 的寄存器值、内存映射信息等，并将其状态从“运行状态”改为“就绪状态”。
选择进程 B：
调度器从就绪队列中选择进程 B。
恢复进程 B 的上下文：
操作系统恢复进程 B 的寄存器值、内存映射信息等。
进程 B 运行：
进程 B 从上次被中断的地方继续执行。

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Linux2.6内核进程O(1)调度队列

LInux源码查看网站
Linux源码官方网站

Linux2.6内核调度队列

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活动队列（array[0]）

时间片还没有结束的所有的进程都会按照优先级放在该队列
nr_active：总共有多少个运行的进程
queue[140]：一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照 FIFO（先进先出）的规则排队调度，所以数组下标就是优先级
bitmap[5]：一共140个优先级，用位图就可以提高非空队列的效率，一个整形占32个比特位，数组大小为5，就有5 * 32 = 160 个bit位来表示队列是否为空，大大提高了查找效率

过期队列

过期队列上的进程都是时间片耗尽之后的进程
活动队列上的进程都被处理完毕以后，就会对过期队列的进程进行时间片重新计算

active 和 expired 指针

active指针永远指向活动队列
expired指针永远指向过期队列
活动队列中的进程进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期就会进入过期队列，但在合适的时间交换 active 指针和 expired 指针的内容，即 swap(&active,&expired) ,活动队列就又有了一批新的活动进程

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