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寄存器
操作系统
进程#xff08;process#xff09;
CPU
pcb中关于进程调度相关的属性 寄存器
用来存储数据的单位#xff0c;是CPU的一部分
寄存器#xff0c;存储空间更小#xff0c;访问速度更快#xff0c;成本更高#xff0c;掉电后数据会丢失
寄存器…
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寄存器
操作系统
进程process
CPU
pcb中关于进程调度相关的属性 寄存器
用来存储数据的单位是CPU的一部分
寄存器存储空间更小访问速度更快成本更高掉电后数据会丢失
寄存器的速度和从内存速度的差距是极大的3~4个数量级
寄存器用途辅助CPU完成指令的执行一条指令不仅仅是指令本身同时还有操作数
操作数通常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” cache 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的过程中要反复用到一组内存中的数据这些数据要频繁使用又要频繁访问内存同时这些数据又比较多在寄存器中又存不下就可以放到缓存中了
缓存的存储空间介于 寄存器 和 内存 之间
由于寄存器和内存之间差距太大了搞一个缓存还不够用后来又搞了一个 现代的CPU 都是这种典型的3级缓存的结构 缓存大小对于有些场景是非常影响到CPU 的性能的 操作系统
是一个搞管理的软件
操作系统存在的意义
1、对下要管理各种硬件设备
2、对上要给应用程序提供一个稳定的运行环境 进程process
进程是程序的实例化是一个正在运行中的程序、 这是一个所谓的程序但是这个程序当前并没有正在运行
没有正在运行的程序不叫进程
同一个程序运行多次就可能会产生多个进程
平时所说的程序指的是 exe 的可执行文件进程得是把程序跑起来 打开任务管理器此时看到的这些都是进程
程序是一个可执行文件只是在硬盘上的一个东西静态的
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相关的工作运行起来的动态的进程
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.....
进程是系统分配硬件资源的基本单位
一台正在运行的计算机中大概率是包含很多进程的一旦东西多了就需要套考虑“管理”
管理的前提是数量非常多如果只需要考虑一两个进程不用涉及到这么多
此时针对计算机中“进程”的管理核心思路是先描述再组织
1、会使用一个专门的结构体来记录一个进程里面各个属性
结构体就是一个低配的类
PCB进程控制块 是我们用来描述进程的一个结构体Linux 中的PCB在源码中是一个task_struck结构体
2、会使用一系列的数据结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....
通常是使用双向链表这样的方式来组织
当使用双向链表来组织的时候 a查看进程的列表本质上就是在遍历这个链表 b插入一个进程就是创建了一个PCB结构体并且插入到链表上 c销毁一个进程就是把这个pcb结构体从链表上删除并释放 PCB中大概有哪些信息呢
1、pid进程的标识
在同一个系统上同一时刻中每个进程的pid一定是不同的
有的时候运行的是一个 .exe 但是实际上可能会涉及到多个进程 2、内存指针
表示了该进程对应的内存资源是什么样的
内存资源中最主要要存储的就是从exe可执行文件中加载过来的指令和数据此外还需要保存一些运行过程中的中间结果
指令是指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的代码的逻辑
3、文件描述符表
硬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成“文件”这样的概念程序操作的是文件而文件实际上是存储在硬盘上的
每个进程就会有一个“文件描述符表” 来记录当前这个进程正在使用哪些文件
操作系统打开一个文件就会产生一个“文件描述符”就相当于文件的身份标识一样当然只是在进程的内部生效的同时会使用文件描述符表类似于数组把文件描述符给组织起来 CPU
进程是需要在cpu上来执行指令的
进程如果是演员cpu就是拍摄场地每个进程要想执行cpu里面的命令完成想要的任务都需要在cpu上执行
一台机器上进程同一个时刻有百八十个但是cpu只有一个这该怎么办呢
轮着用就行了也就是进程的调度
CPU是只有一个但是舞台不只是一个现在的cpu都是多核心的cpu
此时我这个cpu是8个舞台但是要拍戏的剧组有几十上百个仍然是不够的这个时候就要考虑到调度调度的时候有下面两种情况
1、并行
在同一时刻两个进程同时运行在两个cpu逻辑核心上
2、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个进程是串行执行的宏观上看起来这两个进程是“同时”进行的
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是按照并发的方式来调度
在应用程序这一层感知不到在系统内核中能感知到由于感知不到是哪种方式调动并且这两种调动方式在宏观上的体现是一样的通常也会用 “并发” 这个词代指 “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应的cpu资源的使用情况
1状态
就绪状态一个进程已经随时做好了在cpu上执行的准备
阻塞状态 / 睡眠状态有的时候进程没有准备好被调度到cpu上
状态之间是可以相互转换的
实际上进程在系统中状态还有很多种其中最关键的就是 就绪 和 阻塞 状态
2优先级
系统给进程进行调度的时候也不完全是公平的也会根据优先级的不同来决定时间分配的权限就可以把系统资源调配给更重要的进程上了
3上下文
这些进程是轮着上的一次运行不完就需要保证下次上cpu的时候能够从上次运行的位置继续往后运行
对于操作系统来说所记录的上下文就是该进程在执行过程中cpu的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才能一些特定含义的数据比如下一条指令是在哪里比如当前函数的调用关系这些寄存器中的数据就需要在进程离开cpu之前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进程就是和上次执行的状态一模一样了
4记账信息
相当于是一个统计信息
会统计每个进程在cpu上都执行多久了执行了多少指令了
是对于进度的调度工作进行一个“兜底”
例如如果我发现给C排的时间太少了接下来就给C多排一点时间 每个进程都需要有一定的内存资源
早期的操作系统就是直接把物理内存分配给进程就带来一个严重问题
一旦某个进程内部代码写出了bug内存访问越界了就可能影响到别的进程
C语言中有一个东西叫做指针指针是个变量存了个整数这个整数就是内存的地址
使用指针尤其是解引用指针的时候就需要保证当前这个指针指向的是有效的内存否则解引用操作就可能引起 未定义行为
这个保证是由人工保证的这就很容易出现指针越界指向了不该指向的内存野指针的情况、
按照上述直接分配物理内存的模型此时一旦指针越界指向到其它位置就会影响到别的进程的执行会非常影响系统的稳定性
后来操作系统就引入了 “虚拟地址空间” 这样的概念有效解决上述的问题
虚拟地址并非是在物理内存上真实存在的地址只是在该进程中存在
不同的进程中可以存在相同的虚拟地址但是实际上对应到的是不同的物理地址
虚拟地址和物理地址操作系统可以灵活的进行转换
但是对于应用程序来说只能看到虚拟地址看不到真实的地址
虚拟地址的好处 这样设定之后每个进程的有效的虚拟地址都是固定范围 1、这样使用该虚拟地址的内存都需要操作系统进行转换成物理地址的过程这个转换过程中就可以针对虚拟地址是否有效做出一个校验将之前的人工保证变成了系统自动检查 2、当系统发现这里检查出了非法的地址的使用就可以及时的通知这个进程甚至直接让进程挂掉避免影响到其它的进程提高了整个系统的稳定性 在虚拟地址空间的加持下进程就具有了独立性每个进程都有自己的虚拟空间一个进程无法直接访问或者修改其它进程虚拟地址空间的内容强化了系统的稳定性
通过虚拟地址空间把进程隔离开了但是有的时候还需要让进程之间产生点配合 / 联系
进程间通信就是在进程隔离性的进程上开一个口子能够有限制的进行相互影响
进程之间具体用来通信的办法有很多无论用哪种办法本质都是一样的找一个公共的区域多个进程都能访问到的区域借助公共区域来完成数据的交换
