Linux-程序概念

程序是一個非常重要的概念，了解它，你會更清晰的認知計算機中的程式執行。看待計算機的角度都會不一樣。

• 馮諾依曼體系
• • 通信在體系下的硬體操作
  • 外設與CPU的互動
• 作業系統OS
• • 邏輯圖
  • 概括
  • 管理的概念
• PCB-程序描述
• 程序概念
• • 建立程序
  • 删除程序
  • PCB的成員
  • • 時間片
    • 辨別符
    • 狀态
    • 優先級
    • 程式計數器
    • 記賬資訊
    • 程序切換與排程
    • 上下文資料
    • 結構體指針
  • CPU的操作
• 系統調用建立程序-fork
• 程序狀态
• • R狀态（運作狀态）
  • S狀态-休眠狀态
  • D狀态-深度睡眠
  • T狀态-暫停狀态
  • Z-僵屍狀态
  • 孤兒狀态
• 程序間的性質
• 程序優先級
• • top任務管理器
  • • PRI與NICE值
• 環境變量
• • 常見的環境變量
  • • HOME
    • SHELL
    • env
  • 三個main函數的參數
  • • argc-指令行參數個數
    • argv-指令行參數清單
    • envp-環境變量參數清單
• 程序位址空間
• • 提問：這個程序位址空間是不是記憶體呢？
  • 程序位址空間對應的位址不是實體位址
  • 虛拟位址
  • • 邏輯關系
    • 對父程序也一樣
  • 程序位址空間的了解
  • • 為什麼會存在程序位址空間
    • 建立程序

馮諾依曼體系

首先，來介紹計算機的結構-馮諾依曼體系

這是現代計算機的邏輯結構。

輸入裝置：鍵盤、滑鼠、搖桿、網卡…

輸出裝置：螢幕、硬碟、音響、網卡…

存儲器：記憶體

也就是說，在不考慮緩存的情況下，CPU隻會與記憶體進行互動，輸入輸出裝置也是隻與記憶體（存儲器）進行直接互動。

控制器是進行決策的，決策的對象是記憶體中的資料與代碼。

運算器是根據控制器的指令進行運算。

比如：鍵盤輸入時，鍵盤中的寄存器會進行按鍵識别，識别後會把寄存器的資料給記憶體中相應的寄存器，CPU中的控制器會控制其寄存器中的資料讀到運算器中，在根據指令進行操作。

各種硬體單元，使用的是線：總線（IO總線，系統總線），進行連接配接。

通信在體系下的硬體操作

使用即時通信軟體，例如QQ，微信。

如果兩個人想要發資訊，需要兩個人的QQ都要打開，則意味着，QQ這個程式變成了程序（後面介紹），正在執行中。

A從鍵盤上輸入發送的資訊，資訊被讀取到記憶體中，再被CPU讀取，根據QQ的加密或者資料打包，再還要符合網絡協定的格式，被CPU處理，再放入記憶體中，被輸出裝置（顯示屏，網卡）讀取，資訊原封不動的顯示在顯示器上，同時，被打包後的資訊會被發送進入網絡，伺服器上，

再發送到B的網卡中，資料包再被讀取到記憶體中，被CPU解碼，發送回記憶體，再被顯示器讀取，顯示。就完成了一整個通信的硬體邏輯操作的過程

外設與CPU的互動

像輸入輸出裝置也是能與CPU互動的，但不是資料互動，而是信号級别的互動，比如：中斷（外部中斷）

當你在鍵盤上輸入資料時，CPU是如何知道輸入好了資料呢？就是靠外設和CPU之間的信号互動。當資料輸入好了，給CPU（控制器）發送一個硬體級别的電脈沖，CPU就會把外設寄存器中的資料讀入到記憶體中。

除此之外，在資料層面上，CPU是不會和外設進行互動的，因為效率太低了。

所有裝置在資料層面上都隻能和記憶體（存儲器）進行互動。

作業系統OS

一個計算機中，僅僅隻有硬體體系是不夠的，還需要管理硬體，然硬體被組織起來。

是以開發了一款軟體，來對硬體資源進行管理，就是作業系統。同時，作業系統還為其它應用程式提供了一個可執行的軟體環境

邏輯圖

其中的驅動，是進行硬體和OS之間處理資訊的，防止不同的硬體導緻OS出現問題，讓OS與硬體進行解耦。

概括

是以說作業系統就是

核心（記憶體管理，檔案管理，程序管理，驅動管理）

其它程式（函數庫，shell程式）

設計OS的目的，是為了

• 與硬體互動，管理所有的軟硬體資源
• 為使用者程式（應用程式）提供一個良好的執行環境

純粹是為了進行管理。

管理的概念

我目前還是個學生，對于這個方面還是舉學校的例子。

學生入學後，就進入了學校的管理系統，就屬于被管理這的身份。而我們學生是看不到那些系統裡的資訊的。

而每個學院每一級都有一個輔導員，他負責處理我們的入學生活之類的。他看上去是個管理者，

但站在整個學校的角度來看，校長才是真正的管理者，而我們學生是被管理者，輔導員之類的是執行者。

而校長靠什麼來管理我們的呢？靠教務系統，系統裡已經全部組織好了全校學生的資訊。比如，要打學校之間的辯論賽了，校長在教務系統中挑10名績點最高的學生去打比賽，校長選好後，告訴輔導員，讓輔導員去組織一下賽前準備。這個過程就是一個被組織的過程。

是以可以得出一個概念，管理，其實就是，先描述，再組織的過程。

PCB-程序描述

作業系統對于程序也是要進行管理的，也是要遵循，先描述再組織的過程。

那一個OS要管理的程序肯定不止一個，那那麼多的程序要麼怎麼一一描述？

使用C語言中的結構體的概念，因為linux核心就是那C語言寫的。

關于程序的所有資訊都被放置在一個程序控制塊中的結構體中，結構體中右程序所有資訊的分類。

task_struct
{

}
           

task_struct是Linux核心的一種資料結構，它會被裝載到RAM(記憶體)裡并且包含着程序的資訊

而一個PCB程序控制塊來規劃、組織一個程序，那OS要管理多個程序的時候，就是要管理多個PCB。那OS就會用一個資料結構來管理多個PCB。

使用了連結清單來組織的資料結構。

程序概念

當一個可執行檔案（exe檔案），沒有執行時，是被儲存在硬碟中，當被執行後，這個可執行程式的代碼和資料就會被從硬碟中，加載到記憶體中。

且，當電腦開機時，第一個加載到記憶體中的程序就是作業系統。然後加載到記憶體中的程序就會被作業系統管理起來，管理程序的PCB。

建立程序

可執行檔案的代碼和資料會被加載到記憶體中，同時，OS會為這個程序建立一個PCB結構體來描述這個程序，同時，會把新建立的PCB連接配接到執行連結清單中，等待被CPU讀取。

删除程序

當選擇删除時，作業系統會先找到，要被删除程序的PCB，然後根據PCB中的資訊，找到在記憶體中的代碼和資料的位置，将這個記憶體銷毀，再将·PCB從隊列中剔除，并銷毀PCB的所處空間。這就完成了一個程序的删除。

PCB的成員

• 标示符: 描述本程序的唯一标示符，用來差別其他程序。
• 狀态: 任務狀态，退出代碼，退出信号等。
• 優先級: 相對于其他程序的優先級-pid。
• 程式計數器: 程式中即将被執行的下一條指令的位址。

• 

• 記憶體指針: 包括程式代碼和程序相關資料的指針，還有和其他程序共享的記憶體塊的指針
• 上下文資料: 程序執行時處理器的寄存器中的資料[休學例子，要加圖CPU，寄存器。
• I／O狀态資訊: 包括顯示的I/O請求,配置設定給程序的I／O裝置和被程序使用的檔案清單。
• 記賬資訊: 可能包括處理器時間總和，使用的時鐘數總和，時間限制，記賬号等。
• 其他資訊

時間片

時間片：由于在計算機中，一定是程序多，CPU少，但是一個CPU不能隻執行一個程序，其它程序也要執行，是以有了時間片的概念，即一個程序在CPU上執行的時間，通常是比較短的，這個程序在CPU上執行一點時間，立馬換下一個程序，就遮掩給，依次進行。在我們看起來1就像是多個程序在同時進行的。

在正常的程序排程的過程中，要基于時間片來進行排程，也就是基于時間片的輪轉

我先聲明一下，這些圖檔都是我在OneNote上做的筆記，但複制就變成了圖檔了。

辨別符

狀态

優先級

程式計數器

記賬資訊

程序切換與排程

上下文資料

結構體指針

CPU的操作

當程式變成程序時， CPU要對程序進行操作。

CPU隻負責執行三個操作，循環進行。

讀取指令->分析指令->執行指令

這個程序替換就是又作業系統來決定的。

CPU取指令時，要從指令寄存器eip中讀取即将要執行的下一條指令的位址。也就是PCB中程式計數器的概念。

實際上，作業系統對程序的管理，就是對PCB連結清單的增删查改。

再概括一下，作業系統對程序的管理是，先描述，再組織。描述就是建立PCB，組織就是對連結清單進行操作。

系統調用建立程序-fork

如果是子程序，其傳回的就是0

如果是父程序，其傳回的就是子程序的pid

如果程序建立失敗，就會傳回-1。

這個是fork函數的傳回值的資訊。

從某種意義上說，這個函數有兩個傳回值。

因為它不僅會傳回代表子程序的0，還有代表父程序的子程序的pid。

至于為什麼說他又兩個傳回值，看這個。

這是輸出結果。

看到麼？這有兩個傳回值，正好對應了上面的介紹。

這就是可以通過，fork函數系統調用建立子程序，有兩個程序，就可以讓兩個程序執行不同的操作，利用其傳回值。

這是效果

一直執行不同的操作。

程序狀态

程序再記憶體中也是有狀态的。

對于作業系統而言，所有的程序都需要被作業系統識别，區分，而作業系統不能像我們人類能這麼抽像的了解，是以，程序狀态要讓OS了解，就必須符合OS的規則，要将其資料化。

在OS中，程序的所有狀态的都是可以資料化的，

而程序狀态->資料化，所有的資料都被儲存在PCB中，不然PCB怎麼叫程序狀态控制塊。

像

task_struct

中，就有一個指針數組專門存儲程序的所有狀态。

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 */
};
           

R狀态（運作狀态）

舉例

注意：

S狀态-休眠狀态

舉例：

比如說：你在課堂上太困了，然後你跟你同桌說，太困了，要睡一覺，等老師來了，就趕緊叫醒你。這時，觸發你醒的條件就是老師來了。然而，這也可以因其他情況叫醒你，比如，老師叫你上去做題目，這又是另外一種條件。或者你自己睡醒了。你是随時能夠被喚醒的。

休眠狀态的程序也是這樣子。

D狀态-深度睡眠

可以防止程序被作業系統殺掉，而導緻程序執行任務失敗後造成資源丢失，而記憶體洩漏。

T狀态-暫停狀态

經過信号SIGSTOP可以讓程序處于暫停的狀态

這個和休眠狀态很像，按照程式設計需要進行程序暫停或運作。

Z-僵屍狀态

一個程序需要一個退出碼，其OS需要根據退出碼來判斷這個程序為什麼退出。是正常退出還是因為其他原因而導緻程序退出。

這個退出碼就是main函數中return傳回的值。

可以用

echo $?

來顯示退出碼。

且這個程序的退出碼儲存在

task_struct

中，也就是PCB中，OS會在這裡讀取退出資訊。

孤兒狀态

這是父程序托管子程序的狀态。

當我殺掉父程序時，子程序的pid未變動，而父程序已經變成了OS

子程序被1号程序接管了。

程序間的性質

• 獨立性：多程序運作需要獨享各種資源，多程序運作期間互不幹擾
• 并行：多程序在多個CPU下分别、同時的進行（任意時刻）
• 并發：多個程序在一個CPU下采用切換的方式，在同一時間段内，多個程序都得以推進
• 競争：系統程序數目衆多，而CPU資源有限，是以程序之間存在競争性，為了高效完成任務，程序獲得相關資源的先後順序便有了優先級

當程序數目較多時，對某一該程序而言，其切換到周期就變大了，就反映出一種”卡“的感覺

程序優先級

• cpu資源配置設定的先後順序，就是指程序的優先權（priority）。
• 優先權高的程序有優先執行權利。配置程序優先權對多任務環境的linux很有用，可以改善系統性能。
• 還可以把程序運作到指定的CPU上，這樣一來，把不重要的程序安排到某個CPU，可以大大改善系統整體性能。

top任務管理器

PRI與NICE值

• PRI也還是比較好了解的，即程序的優先級，或者通俗點說就是程式被CPU執行的先後順序，此值越小程序的優先級别越高
• 那NI呢?就是我們所要說的nice值了，其表示程序可被執行的優先級的修正數值
• PRI值越小越快被執行，那麼加入nice值後，将會使得PRI變為：PRI(new)=PRI(old)+nice
• 這樣，當nice值為負值的時候，那麼該程式将會優先級值将變小，即其優先級會變高，則其越快被執行
• 是以，調整程序優先級，在Linux下，就是調整程序nice值
• nice其取值範圍是-20至19，一共40個級别

需要強調一點的是：程序的nice值不是程序的優先級，他們不是一個概念，但是程序nice值會影響到進 程的優先級變化。

可以了解nice值是程序優先級的修正資料

通過top指令也能修改一個程序的NICE值，來間接修改一個程序的優先級。

top->按 ‘r’ -> 輸入程序的PID - >輸入NICE值

通過

ps -al

可以檢視程序

我把子程序的優先級修改成了60，也就是說我将NICE值變成了-20，是以子程序的優先級是最高的。

提醒：普通權限是不被允許修改程序優先級的，要sudo提升權限。才會允許。

環境變量

• 環境變量(environment variables)一般是指在作業系統中用來指定作業系統運作環境的一些參數

  如：我們在編寫C/C++代碼的時候，在連結的時候，從來不知道我們的所連結的動态靜态庫在哪裡，但是照樣可以連結成功，生成可執行程式，原因就是有相關環境變量幫助編譯器進行查找。

• 環境變量通常具有某些特殊用途，還有在系統當中通常具有全局特性

由系統提供的環境變量，那就有變量名與變量内容。

如，經常使用的

ls

指令，這其實某種程度上說是一個可執行程式。就跟我們讓自己寫的程式運作。

一般是

./myproc

，

.

是指在目前目錄下查找，找到

myproc

後，再執行。而

ls/mkdir/rm/mv....

都是一樣的，要先找到，在執行這個程式。這些查找其路徑，就是靠環境變量來完成。

常見的環境變量

• PATH : 指定指令的搜尋路徑
• HOME : 指定使用者的主工作目錄(即使用者登陸到Linux系統中時,預設的目錄)
• SHELL : 目前Shell,它的值通常是/bin/bash。

像

ls

指令就是PATH去指定指令下搜尋。

就會去這些路徑下搜尋指令。

ls指令是被打包後的。

從理論上說，隻要我們把自己編寫的可執行程式也放入PATH可以找到的路徑下，那麼也能像這些指令一樣運作。

比如：

sudo cp -f myproc /usr/bin

(不推薦，可能會對系統造成影響)

export PATH=$PATH:可執行檔案的路徑
           

這樣就是添加了PATH查找的路徑

如果你破壞了環境變量，也沒什麼，重新進一下系統，伺服器會重新配置環境變量的。

HOME

可以顯示自己所處的工作目錄。也就是說這個環境變量儲存了目前所處的工作目錄

SHELL

顯示指令行解釋器的版本

env

可以顯示所有的環境變量

三個main函數的參數

argc-指令行參數個數

argv-指令行參數清單

envp-環境變量參數清單

後面的就是指令行參數。

解釋一下：

ls -a/-al...

這些都是指令，而 ls 是指令，而後面的-a -al 都是選項

就有點像，函數傳遞的不同的參數，而執行不同的指令

最後一個元素是NULL代表結尾。

代碼運作後

把環境變量全部給列印出來了。

如果把這個程式加入PATH中，就也能變成一個指令。

程序位址空間

先來回顧一下程式位址空間。

我們曾經認為的程式空間的位址就是這樣，可以直接對應與硬碟的空間。系統給程式配置設定了

2的32次方

（32位機下）的大小，總共4G，當時我還不了解是什麼意思。

現在，在了解了程序後，這個其實是叫程序位址空間更合适一些。

提問：這個程序位址空間是不是記憶體呢？

回答：不是（後面解答）

程序位址空間對應的位址不是實體位址

這是一份程式，還沒跑起來。有一個全局變量

val

，在父程序時，讓該程序休眠了1秒，也就是說讓子程序先跑。

在子程序的分流中執行了修改全局變量的值。

看看輸出結果。

子程序修改後的val的值變成20了，而父程序的值依舊是之前的100，而兩個程序分流後的val的位址依舊是一樣的，沒有改變

也就是說，val的位址沒變，但是子程序與父程序的val值取已經發生了改變。看似不可能，卻是實實在在的發生了改變。

先前提過，父程序建立了子程序，子程序會共享父程序的代碼和資料。

這也就證明了一點，這個程序位址空間，其對應的位址，根本就不是真實的實體位址，如果其對應的是真實的實體位址，那麼兩個位址一樣的空間，是不可能讀取到兩個不同的值

虛拟位址

程序位址空間對應的位址，其實是虛拟位址。也就是說，我們在代碼中操作的指針、位址，也不是真實位址，而也是虛拟位址。

而在Linux作業系統中，OS負責将實體位址轉換為虛拟位址。

再來一個聯想，列印輸出的val的虛拟位址在父子程序中是一樣的，而值是不一樣的也就是說，這個val的真實實體位址是不一樣的，隻不過作業系統将不同的實體位址處理成了相同的虛拟位址。

邏輯關系

頁表是OS處理虛拟與實體位址之間映射關系的方案，頁表使用一種算法，将實體位址處理成虛拟位址，且，讓實體位址不可見。同時對于子程序也是一樣的。

當程式運作時，子程序的分流修改了val的值，由于程序之間是具有獨立性的，子程序的資料被修改了，并不會影響父程序的資料。為了保證這種程序間的獨立性，OS會位這個val在記憶體中申請過一個空間，修改val的值，同時，這個新申請的空間的位址就又會被頁表處理，使虛拟位址不變。

對父程序也一樣

這次，我讓父程序先運作，先對val的值進行修改，子程序後運作。看看結果。

同樣，為了滿足程序之間的獨立性，并不是隻有子程序會讓OS為它在其它地方申請一塊空間來儲存修改後的值，對于任何程序都一樣，無論是父程序還是子程序。

程序位址空間的了解

其本質是記憶體中的一種資料結構

mm_struct

也就是意味着，結構體成員中存在不同的區域，而程序位址空間中存在不同的區域，靜态區，代碼區，資料區，堆區，棧區…

而這些被

mm_struct

這個結構體進行維護，是以說，結構體中就存在

stack_start、stack_end、heap_start、heap_end

差不多是這樣的成員。

而了解上，程序位址空間是實體記憶體的一種度量。實體記憶體本身是不具備任何衡量标準的，隻是代表一個個位址，而程序位址空間，就像是一把尺子上的刻度，将實體記憶體邏輯化、形象化、資料化了。

不僅僅是記憶體被劃分區域了，對于磁盤中的程式，可執行檔案（Linux中是ELF檔案），也同樣被劃分了不同的區域，代碼段，資料段…當這個檔案被執行時，會根據規則，将這些分段全部連結在一起。

為什麼會存在程序位址空間

1. 有了程序位址空間提供的虛拟位址、虛拟空間，這樣可以防止代碼中有些操作直接通路實體位址，這樣，哪怕是通路了未申請區域，也僅僅是虛拟空間中的越界，，不會存在系統界别的越界通路，在虛拟空間中，作業系統是可以掌握的，最多就是代碼執行出錯，系統殺程序或者程序崩了，不會影響到真實的實體記憶體。同時，頁表可以對真實的實體位址進行保護，讓真實的實體位址完全不可見，可以保護記憶體。
2. 大一統的好處：讓所有的程序都遵循同一個處理規則，所有的程序都有着相同的記憶體處理規則
3. 每個程序都認為自己是獨占記憶體的，更好的完成程序的獨立性且合理的配置設定空間，友善作業系統合理的規劃所有控件的排程。

因為一個程序不可能是所有的代碼資料都同時加載到記憶體中，因為記憶體明顯不夠，且把CPU是一條指令一條指令的執行，一次性把所有代碼和資料都加載到記憶體中，大部分的代碼和資料并不會被執行，這樣非常占用資源，是以，排程算法會處理，當需要執行的部分，才會進行加載，配置設定資源空間。這樣作業系統可以很高效的配置設定資源。

将程序排程和記憶體管理進行解耦分離對于部分的程序排程，隻有當執行到的時候才會為其配置設定資源，減少記憶體負荷。

建立程序