本章節目標：
- 認識馮諾依曼系統
- 作業系統概念與定位，理解"管理"
- 深⼊理解進程概念，瞭解PCB
- 學習進程狀態，學會創建進程，掌握僵⼫進程和孤⼉進程，及其形成原因和危害
- 瞭解進程調度，Linux進程優先級，理解進程競爭性與獨⽴性，理解並⾏與併發
- 理解進程切換，以及Linux2.6 kernel，O(1)調度算法架構
- 理解環境變量，熟悉常見環境變量及相關指令, getenv/setenv函數
- 理解C記憶體空間分配規律，瞭解進程記憶體映像和應⽤程序區別, 認識虛擬地址空間
馮諾伊曼系統結構
現實生活中常見的計算機大部分都遵循馮諾伊曼系統體系
輸入設備包含：鍵盤、鼠標、掃描儀、攝像頭、網卡、硬盤(ROM)等
輸出設備包含：顯示器、影印機、喇叭、網卡、硬盤等
而在這裡的存儲器指的就是記憶體。輸入設備與輸出設備統稱為外部設備。由於它們的速度遠慢於CPU，因此通常不會直接與 CPU持續交互，而是透過I/O控制器、緩衝區或DMA先將資料傳入記憶體，再由CPU與記憶體進行交互。
為什麼要有記憶體？
存儲分級的問題：
為了提高效率，輸入設備的資料通常會透過緩衝或快取的方式預先載入到記憶體。由於程式在處理資料時往往具有時間局部性與空間局部性，因此大部分情況下 CPU 可以直接從記憶體中存取所需資料，而不必頻繁等待輸入設備。
- 時間局部性(Temporal Locality)：如果某個記憶體位置被訪問過，那麼在不久之後很可能會再次被訪問。
- 空間局部性(Spatial Locality)：如果某個記憶體位置被訪問，那麼它附近的記憶體位置很可能會在不久之後被訪問。
計算機中，資料流動的本質就是拷貝!!! -> 因此可以知道計算機效率的問題是由設備的拷貝效率決定的
從你登錄上某通訊軟體開始和某位朋友聊天開始，資料的流動過程
作業系統
任何計算機系統都包含⼀個基本的程序集合，稱為作業系統(OS)。籠統的理解，作業系統包括
- 內核（進程管理，記憶體管理，檔案管理，驅動管理）-> 任何計算機都需要這四個功能
- 其他程序（例如函數庫，shell程序等等）
設計OS的目的
- 對下，與硬體交互，管理所有的軟硬體資源 -> 手段
- 對上，為⽤⼾程序（應⽤程序）提供⼀個良好的執⾏環境(穩定、高效、安全) -> 目的
OS 內部，核心最重要的是什麼？── 資料結構
作業系統（OS）本質上就是一個軟體，一款負責管理軟硬體資源的軟體。它遵循一個基本的思路：先進行描述，再進行組織。
回想C++的「類別」與STL的關係
- 類別的設計是 先描述（定義它的功能與特性）
- 然後再透過STL等工具進行 組織與運用。這樣的做法，目的都是為了把現實世界的問題轉換成計算機世界中可操作的規律。
從開發角度來看，作業系統對外表現為一個整體，但它會暴露部分介面給上層使用，這些介面就是系統呼叫（System Call）。
系統呼叫本身功能比較基礎，對使用者的要求也相對較高。為了方便更多開發者使用，部分開發者會對系統呼叫進行 封裝，形成各種函式庫。這些庫的出現，進一步降低了使用難度，也有利於更高層的應用程式開發。
那麼，作業系統是如何管理進程的呢？其核心思路其實很簡單：先將進程進行描述，再把它們組織起來。
因為在作業系統中，可能同時需要運行許多程式： - 每一個程式都必須被加載到記憶體
- 當多個進程並存時，作業系統必須對它們進行有效管理
而要做到「管理」，前提就是「先描述」。換句話說，要讓作業系統認識一個進程，就必須先有一個用來描述它的結構體物件。
在作業系統中，這個結構體就是 PCB（Process Control Block，進程控制塊）！
當一個程式被加載到記憶體，真正成為「進程」時，系統會為它建立對應的PCB，進而透過PCB進行後續的管理與調度。
在還沒有啟動進程前的第一個軟體是什麼？ --- 作業系統(作業系統也在記憶體中)
所以什麼是進程？進程就是內核的資料結構 + 自己程序的代碼和資料
進程
PCB 的概念
- PCB（Process Control Block，進程控制塊）是作業系統中用來描述和管理進程的一個資料結構
- 它保存了進程執行所需的所有資訊，例如：進程狀態、程式計數器、寄存器內容、記憶體管理資訊、開啟的檔案、排程相關資訊等等
- 這是一個抽象概念，不同作業系統的實作方式和名稱可能不同
可以理解成，當創建一個新的進程時，就會建立一個對應的PCB，而Linux中，新的進程往往是通過父進程(bash -- 命令行解釋器)的方式創建出來。
Linux 的實作
- 在 Linux 內核中，進程控制塊的具體實作就是一個名為 task_struct 的結構體
- task_struct 中包含了 Linux 內核用來管理進程（以及輕量級執行緒，因為 Linux 沒有嚴格區分 process/thread）的所有資訊
例如其中包含：
- 進程識別符（pid）
- 父進程/子進程關係
- 記憶體描述符（mm_struct）
- 檔案描述符表
- 調度優先級與排程策略
- 狀態資訊（running、sleeping 等）
上下文數據(程式計數器、CPU 暫存器、堆疊指標等)
- 程式計數器 -- 下一個即將要執行的指令的地址
- 暫存器是共享的，但暫存器中的數據是進程私有的
一個進程執行代碼，佔有CPU，要一直等到該代碼執行完畢後才讓出CPU? --- 不是(如果是while(1)就卡死了)
-> 當代計算機，都會給每一個進程分配一個時間片，時間片執行完畢就會讓出CPU，讓另一個進程執行 -- 基於時間片的輪轉調度
-> 一個進程還沒執行完可能就會讓出CPU --- 因爲時間片到達，就存在進程切換和調度的動作
一個進程如何獲取自己的識別符? -> 要獲取task_struct 自己內部的屬性OS就需要提供給我們一個系統調用 -- getpid()、getppid()
About fork() -- fork()後會共享fork後的程式碼
如何創建一個進程(子進程)？通過程式碼的方式 -- fork() -- 本質是OS內部多了一個子進程 -> task_struct + 程式碼和數據 ; 進程會即時的顯示在 /proc中
fork()返回值有兩個？是的，但為什麼給子進程的是0，而給父進程的是子進程的PID
- 因爲父進程和子進程的關係通常是 1 : n -- 返回給父進程子進程的PID是為了標識指定的子進程，以便未來可以控制特定的子進程
- fork()函數怎麼可能返回兩次阿？ -- 上面說了fork後會共享fork後的程式碼，其實就是執行了兩次return (return的本質就是寫入)
- 一個id怎麼既能接受 == 0 又接受 > 0 ? (後面談) -- 關聯寫實拷貝、虛擬地址部分
進程狀態
- 作業系統教材中對於狀態(運行、阻塞、掛起)的說明
什麼叫阻塞？阻塞和運行的本質是看你的task_struct在誰的佇列中(runqueue or waitqueue)！！！！
- 凡是在runqueue中的都是運行狀態！！！
什麼是掛起？
task_struct 在記憶體中，由於記憶體不足，而導致進程對應的數據或代碼被交換到的swap分區(磁盤)
- 但是過度的swap會導致系統變慢
- 如果進程本身就處於阻塞狀態，又被掛起，就稱為阻塞掛起
- 如果阻塞掛起後記憶體還是不足，作業系統實在沒辦法只能將運行狀態的進程也掛起，就稱為運行掛起
- 如果還是不行呢？那麼Linux系統就會選擇性殺掉特定的進程
Linux中具體進程狀態表示
- R運⾏狀態（running）: 並不意味著進程⼀定在運⾏中，它表明進程要麼是在運⾏中要麼在運⾏佇列⾥
- S睡眠狀態（sleeping): 意味著進程在等待事件完成（這⾥的睡眠有時候也叫做可中斷睡眠（interruptible sleep））
- D磁盤休眠狀態（Disk sleep）有時候也叫不可中斷睡眠狀態（uninterruptible sleep），在這個狀態的進程通常會等待IO的結束
- T停⽌狀態（stopped）： 可以通過發送 SIGSTOP 信號給進程來停⽌（T）進程。這個被暫停的進程可以通過發送 SIGCONT 信號讓進程繼續運⾏
X死亡狀態（dead）：這個狀態只是⼀個返回狀態，你不會在任務列表⾥看到這個狀態
- 進程不會直接進入X狀態，會先進入Z狀態，之後再變成X狀態
僵死狀態（Zombies)：是⼀個⽐較特殊的狀態。當進程退出並且⽗進程(使⽤wait()系統調⽤)沒有讀取到⼦進程退出的返回代碼時就會產⽣僵死(屍)進程
- 僵死進程會以終⽌狀態保持在進程表中，並且會⼀直在等待⽗進程讀取退出狀態代碼。
- 只要⼦進程退出，⽗進程還在運⾏，但⽗進程沒有讀取⼦進程狀態，⼦進程進⼊Z狀態
- Z狀態指的就是，只保留進程的task_struct，未來讓父進程或OS幫我們獲取子進程的退出數據
- 進程退出了，退出信息是什麼？
main函數的返回值或收到的信號值 - 進程退出了，退出信息保存在哪？
進程自己的task_struct結構中 - 檢測Z狀態進程、回收Z狀態進程本質是在做什麼？
本質是在獲取task_struct中exit_state、exit_code、exit_signal這部分的數據，獲取完後讓task_struct處於X釋放掉 - 怎麼回收？誰來回收？
通常是父進程來回收，透過wait函數來獲取到子進程的status，這也是為什麼要返回子進程的pid給父進程
進程狀態查看
ps axj / ps aux
- a：顯⽰⼀個終端所有的進程，包括其他⽤⼾的進程。
- x：顯⽰沒有控制終端的進程，例如後臺運⾏的守護進程。
- j：顯⽰進程歸屬的進程組ID、會話ID、⽗進程ID，以及與作業控制相關的信息
- u：以⽤⼾為中⼼的格式顯⽰進程信息，提供進程的詳細信息，如⽤⼾、CPU和記憶體使⽤情況等
在此先拋出的概念
- 前後臺進程 --- TODO
- kill -9 --- 發送信號
- stat + --- 帶加號表示前臺進程，否則為後臺進程
細談殭屍進程(僵死進程)
殭屍進程的危害
當一個進程退出時，其退出的狀態需要維持，因爲要告訴父進程說你交給我的任務我完成的怎麼樣。但如果父進程一直不讀取，那子進程就會一直維持在殭屍狀態！而維護退出狀態本⾝就是要⽤資料維護，也屬於進程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，換句話說，Z狀態⼀直不退出，PCB⼀直都要維護！
那我們知道一個父進程可能會創建許多子進程，如果父進程一直不回收退出的子進程，就可能導致記憶體資源浪費的問題 -- 也就是記憶體洩漏
孤兒進程
這裡討論的是，如果父進程比子進程早退出呢？那子進程退出時進入殭屍狀態由誰來管理？
如果父進程比子進程早退出，那麼這些子進程就稱為孤兒進程
孤兒進程會被系統(1號進程 -- init/systemd)「領養」，1號進程處理孤兒進程的善後，也就是說，孤兒進程會被系統自動回收
-> 1號進程接收孤兒進程後，孤兒進程會轉變成後台進程！
*關於前後台進程，只要是能從鍵盤上獲取數據的，就是前台進程，反之則為後台進程。
- 前台進程無論何時都只能有一個！
- 後台進程可以有無數個
進程優先級(理論重要性 >>>>> 實操)
何謂優先級？
權限說明了「能不能」的問題，而優先級就是來說明能的情況下的先後問題 --- 進程能得到某種資源的前提下，獲取該資源的先後順序！
- 為什麼要有優先級？
因爲資源有限！優先級就是用來分配資源的！ Linux作業系統下是如何做的？ --- 進程調度 --- task_struct中的兩個整形變量
- UID : 代表執⾏者的⾝份
- PID : 代表這個進程的代號
- PPID ：代表這個進程是由哪個進程發展衍⽣⽽來的，亦即⽗進程的代號
- PRI ：代表這個進程可被執⾏的優先級，其值越⼩越早被執⾏
- NI ：代表這個行程的nice值
PRI是優先級，那NI呢？NI是一個NICE值，其用來修正進程的優先級數值，在Linux下要調整進程優先級，就是調整NI值
(1) NICE的範圍？[-20,19]
(2) 為什麼是這個範圍？
這是 Linux（源自 UNIX）調度器設計時的約定，為了提供一個平衡範圍- 負值代表「提高優先級」
- 正值代表「降低優先級」
- 總共 40 個級別，這樣設計是為了 1. 給系統管理員足夠的微調空間 2. 避免讓範圍過大導致難以管理。
除此之外，因爲目前的作業系統都是分時系統 -- 為了要確保給進程分配的時間片是相對公平、公正的，讓每一個進程都能較均 衡的在一段時間內獲取CPU的資源。
(3) 進程優先級變化範圍是多少？[60,99]
查看進程優先級的命令
- top : 進⼊top後按「r」‒>輸⼊進程PID‒>輸⼊nice值
nice : nice [選項] 命令 [參數]
nice -n 10 ./myprocess- 啟動時設定進程的 NI 值
只能在創建新進程時使用
# 以 NI=10 啟動程式（較低優先級） nice -n 10 ./myprocess # 以 NI=-5 啟動程式（較高優先級，需要 root 權限） sudo nice -n -5 ./myprocess # 預設情況下，nice 會降低優先級 nice ./myprocess # 相當於 nice -n 10 ./myprocess
renice [選項] 優先級 [選項] 進程ID
選項：- -n <數值>：設定新的 NI 值
- -p
：指定進程 ID - -u <使用者>：指定使用者的所有進程
- -g <群組>：指定群組的所有進程
和nice的不同之處 - 修改執行中進程的 NI 值
可以修改已存在的進程
# 修改指定 PID 的進程 NI 值 renice 10 1234 # 將 PID 1234 的進程 NI 值設為 10 # 使用 -n 選項（更明確） renice -n 10 -p 1234 # 修改使用者的所有進程 renice -n 5 -u username # 修改多個進程 renice -n 10 -p 1234 5678 9012 # 提高優先級（需要 root 權限） sudo renice -n -5 -p 1234
補充概念-競爭、獨⽴、並⾏、並發
- 競爭性: 系統進程數⽬眾多，⽽CPU資源只有少量，甚⾄1個，所以進程之間是具有競爭屬性的。為了⾼效完成任務，更合理競爭相關資源，便具備了優先級
- 獨⽴性: 多進程運⾏，需獨享各種資源，多進程運⾏期間互不⼲擾
- 並⾏: 多個進程在多個CPU下分別，同時進⾏運⾏，這稱之為並⾏
- 並發: 多個進程在⼀個CPU下採⽤進程切換的⽅式，在⼀一段時間之內，讓多個進程都得以推進，稱之為並發
Linux2.6內核進程O(1)調度佇列
活動佇列
時間⽚還沒結束的所有行程都依照優先權放在該佇列
• nr_active: 總共有多少運⾏狀態的進程
• queue[140]: ⼀個元素就是⼀個進程佇列，相同優先權的進程依照FIFO規則進⾏排隊調度,所以，數組下標就是優先權！
從這個結構中，選擇⼀個最適合的進程，過程是如何做的呢？
- 從0下表開始遍歷queue[140]
- 找出第⼀個⾮空佇列，該佇列必定為優先權最⾼的佇列
- 拿到選取佇列的第⼀個進程，開始運⾏，調度完成！
- 遍歷queue[140]時間複雜度是常數！但還是太低效了！
bitmap[5]:⼀共140個優先權，⼀共140個進程佇列，為了提⾼找出⾮空佇列的效率，就可以⽤5*32個⽐特位表⽰佇列是否為空，這樣，便可以⼤⼤提⾼查找效率！
小結論：
- 優先級數字，本身就是數組的下標(優先級+40)
- 根據優先級選擇的過程，本身是一個hash的過程
- 一旦確定是哪個佇列的，接下來就是FIFO
- 進程飢餓問題：長時間內不斷有進程進入，導致其他進程無法被調度
過期佇列
過期佇列與活動佇列結構⼀模⼀樣！
過期佇列上放置的進程，都是時間⽚耗盡的進程，當活動佇列上的進程都被處理完畢之後，對過期佇列的進程進⾏時間⽚重新計算。
active指標和expired指標
active指標永遠指向活動佇列;expired指標永遠指向過期佇列。
可是活動佇列上的進程會越來越少，過期佇列上的進程會越來越多，因為進程時間⽚到期時⼀直都存在的。
-> 沒關係，在適當的時候，只要能夠交換active指針和expired指針的內容，就相當於有具有了⼀批新的活動進程。
結論：
在系統當中找出⼀個最適合調度的進程的時間複雜度是⼀個常數，不隨著進程增加⽽導致時間成本增加，我們稱之為進程調度O(1)演算法！