计算机是如何工作的（笔记）

小鱼儿 2023-10-14 12:32 11阅读 0赞

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**目录**

寄存器

操作系统

进程（process）

CPU

pcb中关于进程调度相关的属性

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## 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

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**现代的CPU 都是这种典型的3级缓存的结构**

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缓存大小，对于有些场景，是非常影响到CPU 的性能的

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## 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

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### 进程（process） ###

**进程是程序的实例化**，是一个正在运行中的程序、

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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

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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

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**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

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### 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”

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### 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

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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![2ba3ad468b3445839aeccc96bf958776.png][]

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