从电脑底层到进程创建：一篇看懂冯诺依曼、OS和进程

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一、冯诺依曼体系：电脑的“底层工作规则”

咱们先从最基础的说起——冯诺依曼体系，这其实就是电脑的“做事逻辑”，核心是所有硬件都围着“运算器”转，就像大家都听主厨的指挥一样。

1. 程序没运行时，藏在哪儿？

你双击一个软件（比如QQ）前，它其实待在磁盘里（就是你电脑的C盘、D盘这类存储盘）。为啥不能直接在磁盘上跑？看下面这张图就懂了：

电脑有个死规矩：运算器只和内存打交道，键盘、磁盘这些外设也只跟内存交互。就像主厨（运算器）只用操作台上（内存）的食材，不会直接从冰箱（磁盘）拿——所以得先把“食材”（程序）从冰箱挪到操作台。

2. “加载”就是挪食材的过程

“加载”说直白点，就是把磁盘里的程序，拷贝到内存里。看这两张图，就是加载的完整流程：

加载完之后，运算器才能从内存里读指令、跑程序——这就是软件能运行的前提。

3. 存储分级：快的放近处，慢的放远处

电脑的存储不是一块铁板，而是分“快慢档”的，就像你把常用的东西放口袋，不常用的放柜子：

• 最快：CPU缓存（口袋，随手拿）
• 中等：内存（桌面，伸手够）
• 最慢：磁盘（柜子，要起身开）

这里还有个“木桶原理”：程序跑多快，不看最快的硬件，只看最慢的那步。比如从磁盘拷到内存要1秒，哪怕运算器1毫秒能算完，整体还是得等1秒——所以效率由拷贝速度决定：

4. 两台电脑传文件，本质是啥？

你给朋友发个照片，看似简单，其实是“两台冯诺依曼机器互相传食材”：本地磁盘→本地内存→网络→对方内存→对方磁盘。看这几张图，流程一目了然：

一句话总结：传文件就是“跨电脑的拷贝”。

二、操作系统：电脑的“全能管家”

有了硬件和底层规则，得有个“管家”来协调——这就是操作系统（OS），比如Windows、Linux、macOS。它的核心工作是管硬件、管软件，给你的程序提供舒服的运行环境。

1. 操作系统由两部分组成

管家也分“核心”和“助手”：

• 内核：管家的核心，管最底层的事（比如分配内存、控制CPU）
• 其他程序：助手，比如图形界面（你电脑的桌面）、命令行工具

就连你的安卓手机，底层也是Linux内核——上面加了安卓的框架和APP，就像管家下面有专门管手机APP的助手：

2. 管家怎么“管理”？核心是“先描述，再组织”

不管管硬件还是程序，OS都遵循一个逻辑：先记清楚“对象是谁”，再把它们“分组管理”。比如学校管学生：

1. 先描述：记每个学生的姓名、学号、班级（用表格或表单记录）
2. 再组织：按班级分组，方便查改

OS管硬件也一样，看这几张图：

比如管内存，先记录“内存块大小、是否被占用”（描述），再用链表把这些记录串起来（组织）——后续分配/回收内存，就是改这个链表，跟校长改学生表格一样简单：

一句话：世界上所有管理，都是先记清楚属性，再分组整理——OS也不例外。

三、系统调用：和“管家”沟通的唯一通道

管家很谨慎，不相信陌生人——你不能直接闯进它的“后台”（内核），只能通过它开的“窗口”（系统调用）办事。

1. 系统调用像银行的“柜台”

比如你去银行取钱，不能直接进金库，得通过柜台——系统调用就是OS的“柜台”：

• 本质：OS提供的C函数（有输入参数，比如“取100块”；有返回值，比如“取到的钱”）
• 作用：你写的程序要访问硬件（比如打印文字、读文件），必须通过系统调用让OS帮忙

比如你用printf("hello")，看似简单，其实是：你的代码→调用printf（库函数）→printf底层调用系统调用→OS让显示器显示“hello”。看这张图就懂了：

2. 库函数和系统调用的关系

库函数是“中介”，把复杂的系统调用包装得简单。比如fopen（打开文件）是库函数，底层其实调用了“打开文件”的系统调用——你不用管系统调用怎么写，直接用fopen就行：

记住：只要库函数要访问硬件，底层一定藏着系统调用。

四、进程：正在“干活”的程序

你打开的微信、浏览器，甚至输的ls命令，本质都是“进程”——简单说：进程 = 内核里的“身份信息”（task_struct） + 程序的代码和数据。

1. 进程的“身份证”：task_struct（PCB）

OS要管多个进程，得给每个进程发“身份证”——所有系统都叫PCB（进程控制块），Linux里专门叫task_struct，里面记着进程的所有信息：

比如：

• 标识符（PID）：进程的唯一ID（像身份证号）
• 状态：运行中/暂停/退出
• 内存指针：程序代码在内存里的位置

OS管进程，其实就是管这些task_struct——把它们用链表串起来，要启动/关闭进程，就是给链表增删节点：

2. 怎么查看进程？两种常用方法

方法1：用ps命令

• ps axj：看所有进程
• ps axj | grep 进程名：找特定进程（比如找myprocess）

看这张图，20751就是myprocess的PID，想杀它就用ctrl+c或kill -9 20751：

方法2：看/proc目录

Linux把每个进程做成一个目录，放在/proc下——目录名就是进程的PID。比如/proc/21150就是PID为21150的进程信息：

里面有两个关键文件：

• exe：指向磁盘里的可执行程序（比如你编译的myprocess）
• cwd：进程当前的工作目录（比如你在/home下运行程序，cwd就指向/home）

比如你用fopen("test.txt", "r")，程序会从cwd目录找test.txt——这就是相对路径能生效的原因：

想改工作目录？用chdir函数（底层也是系统调用）：

3. 进程的“父子关系”：所有进程都有爹

Linux里没有“孤儿进程”——所有进程都是被其他进程创建的，创建者叫“父进程”，被创建的叫“子进程”。

比如你打开命令行（bash），输入./myprocess，bash就是父进程，myprocess就是子进程：

甚至每个登录用户，OS都会分配一个bash——你输的所有命令（ls、cd），父进程都是这个bash：

4. 用代码创建子进程：fork函数

想自己写代码创建子进程？用fork()就行——这是个系统调用，调用一次会返回两次（父进程和子进程各返回一次）。

先看代码和效果

代码长这样，编译运行后会同时打印父进程和子进程的信息：

运行后用ps查看，能看到两个进程（PID分别是30382和30383）：

关键问题：fork为啥这么“怪”？

（1）为啥返回两个值？

• 成功时：给子进程返回0，给父进程返回子进程的PID
• 失败时：给父进程返回-1

原因很简单：一个父进程能创建多个子进程，得用PID区分；而子进程只有一个父进程，不用记父PID——OS会帮它存好。

（2）为啥一个函数返回两次？

fork()的核心是“创建子进程”——在执行return之前，子进程已经被创建出来了，甚至已经开始跑了。所以执行return时，父进程和子进程会各自执行一次，自然返回两次：

（3）为啥变量能又等于0又大于0？

看这段代码：父进程和子进程都改gval，但最终结果不一样：

原因是进程有独立性：默认共享代码和数据，但只要有一方改数据，OS会立刻拷贝一份数据给它——这叫“写实拷贝”。比如子进程改gval，OS会给子进程拷贝一份gval，父进程的gval不变：

而且代码是“只读”的——父进程和子进程共享代码，谁也改不了，避免互相干扰：

最后总结

咱们从电脑的“底层规则”（冯诺依曼）讲到“管家”（OS），再到“干活的人”（进程），核心就三点：

1. 程序要运行，必须先从磁盘加载到内存；
2. 跟OS沟通只能用系统调用，库函数是“中介”；
3. 进程是运行的程序，OS用task_struct管它，创建子进程用fork，且进程互相独立。

看懂这些，你就摸清了电脑运行的核心逻辑～