工作也有兩年了，在研究很多項目時發現很多問題追根溯源都會到計算機底層的知識，也是越來越發現編程語言只是一層外殼，這個外殼需要去和操作系統協商使用後者管理的的計算機資源，包括存儲資源和計算資源。如果計算機底層知識不牢靠，遇到一些問題還真是不好分析，也很容易成爲職業上升的瓶頸。現在回想起大學時學習這麼課時是比較抽象的，那時沒有太多編程經驗，知識很難落地，造成了只知其然不知其所以然的情況，所以現在重新梳理一下計算機操作系統的一些底層知識，在這裏記錄一下。
我們說操作系統是運行在內核態的一套軟件，它的主要作用是隱藏硬件，呈現給程序或者程序員良好的、優雅的、一致的計算機抽象模型，並且負責將計算機的存儲資源和計算資源有序分配給應用程序。
這篇文章我先總結一下計算機的進程和線程相關知識。
(一)進程相關
(1)什麼是進程
我個人覺得理解進程需要從兩個角度來看，第一從動態角度講“進程”是一個正在運行程序的實例，它包括程序計數器、寄存器和變量的當前值。
第二從靜態角度講“進程”是一個容器，該容器用於聚集相關的計算機資源，線程，打開的文件等。
在單CPU系統中，CPU在多個進程之間快速來運行的，這是一種僞並行模式。所以在對進程編程時絕不能對時序做任何確定的假設。
(2)什麼時候進程被創建
- 系統初始化：必須linux系統啓動時init進程會被創建，所有其他進程都是這個進程的子進程
- 正在運行的進程通過系統調用創建另一個進程：比如我在這篇博客Redis持久化機制原理分析中提到的Redis主進程通過系統調用fork創建一個子進程來執行RDB
- 用戶請求創建一個進程：如用戶在Window系統中雙擊桌面上的word快捷方式
在linux系統中進程的創建時通過系統調用fork進行創建，調用fork的進程成爲父進程，被創建的進程成爲子進程。父進程和子進程都有私有的內存地址空間，如果父進程修改了屬於自己的變量，這個修改對子進程是不可見的。
pid = fork(); //創建成功pid>0,實際爲子進程的pid
if(pid < 0){
hand_error(); // pid <0 創建進程失敗
} else if (pid > 0){
// 父進程邏輯
} else {
// 子進程邏輯
}系統調用fork調用一次返回兩次，在父進程中返回子進程的pid，在子進程中返回0，可以通過這個返回值來判斷執行父進程代碼還是子進程代碼，系統調用fork創建一個完全與父進程相同的子進程，包括相同的文件描述符，相同的寄存器內容和其他所有內容，當然現代操作系統使用了 寫時複製Copy on write的方式來優化fork的性能，fork剛創建的子進程採用了共享的方式，只用指針指向了父進程的物理資源。當子進程真正要對某些物理資源寫操作時，纔會真正的複製一塊物理資源來供子進程使用。這樣就極大的優化了fork的性能。
如果子進程想獲得自己的pid可以通過getpid系統調用。
(3)什麼時候進程退出
- 正常運行結束程序退出(正常情況)：在linux系統中程序運行結束後調用exit退出
- 出現錯誤程序退出(正常情況):編譯一個找不到的文件等
- 嚴重錯誤(非正常情況)：引用不存在的內存、除數爲0等情況
- 被其他用戶殺死(非正常情況)：在linux系統中用戶kill命令殺死進程
(4)進程層次結構
在unix系統中當一個進程創建了另一個進程之後，我們稱前者爲父進程後者爲子進程，一個父進程有0個或多個子進程，這些進程構成了一個進程樹。
在Windows系統中進程沒有父子進程的層次結構的概念。
(二)線程相關
(1)什麼是線程
我們常說線程是cpu調用的最小單位，每個進程中至少有一個線程，當然這只是從cpu調度的角度來看線程；如果從存儲資源的角度來看線程的話，
線程解決的最大問題就是它可以很簡單地表示共享資源的問題，這裏說的資源指的是存儲器資源，資源最後都會加載到物理內存，一個進程的所有線程都是共享這個進程的同一個虛擬地址空間的，也就是說從線程的角度來說，它們看到的物理資源都是一樣的，這樣就可以通過共享變量的方式來表示共享資源，也就是直接共享內存的方式解決了線程通信的問題。
理論上說Linux內核是沒有線程這個概念的，只有內核調度實體(Kernal Scheduling Entry， KSE)這個概念。linux的線程本質上是一種輕量級的進程，是通過clone系統調用來創建的。
(2)線程的創建
在文章上面我們提到通過系統調用fork創建進程，如果說父進程是一個多線程運行模式，那麼現在面臨的一個問題是：是不是需要在新創建的子進程中創建父進程中的所有線程，如果全部創建假設父進程中一個線程正在等待輸入而阻塞，那麼等輸入完成之後數據是傳給父進程還是子進程的線程；如果不全創建，如果父進程中一個線程A持有鎖，線程B等待鎖，那麼子進程中如果沒有創建線程A，那麼線程B在子進程中將永遠阻塞。
爲了解決這個問題，Linux系統引入了一個強大的系統調用clone
pid=clone(function,stack_ptr,sharing_flags,args)function:爲新建線程的執行入口
args:爲新創建線程執行參數
stack_ptr:爲新創建線程的私有堆棧指針
sharing_flags：這個是一個位圖不同的值可以指定，新創建線程是複製調用clone函數的線程數據結構，還是共享這部分數據結構。
具體參數值可以參考下圖：
(3)線程沒有層級結構而是對等的關係
進程採用父子結構，init進程是最頂端的父進程，其他進程都是從init進程派生出來的。這樣就很容易理解進程是如何共享內核的代碼和數據的了。
而線程採用對等結構，即線程沒有父子的概念，所有線程都屬於同一個線程組，線程組的組號等於第一個線程的線程號。