开始学习 Linux 系统编程之后，我发现真正想理解操作系统，不能一上来就只背各种 Linux 命令。

很多我们平时习以为常的事情，比如打开一个程序、运行一段代码、读取一个文件，背后其实都离不开操作系统。

所以这一天的学习，我主要从两个基础概念开始：

冯诺依曼体系结构和操作系统。

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一、什么是冯诺依曼体系结构？

我们平时使用的电脑、服务器，本质上都属于计算机系统。

从硬件角度来看，一台计算机主要由几个部分组成：

• 输入设备
• CPU
• 内存
• 输出设备

比如键盘、鼠标属于输入设备，显示器属于输出设备，CPU 负责计算和控制，而内存负责保存程序运行过程中需要的数据。

冯诺依曼体系中有一个非常重要的思想：

CPU 主要和内存进行数据交互，外设的数据也需要通过内存与 CPU 或其他部分发生联系。

所有设备都只能直接和内存打交道。

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二、不要只把冯诺依曼理解成一张图

以前学习计算机组成原理时，我觉得冯诺依曼体系就是背下来几块硬件。

但是这次学习让我意识到，它更重要的是理解：

数据到底是怎么流动的？

例如我们登录聊天软件，给朋友发送一条消息。

表面上看只是：

输入文字
↓
点击发送
↓
朋友收到消息

但从系统角度来看，实际上涉及：

键盘
 ↓
输入数据
 ↓
内存
 ↓
CPU处理
 ↓
网络相关模块
 ↓
发送数据
 ↓
对方设备
 ↓
内存
 ↓
CPU
 ↓
显示设备

学习操作系统时，不能只关注“程序代码写了什么”，还要关注：

数据在整个计算机系统中是怎么流动的。

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三、什么是操作系统？

计算机系统都包含一个基本的程序集合，这个程序集合就是操作系统。

简单来说，操作系统主要包括：

操作系统
├── 内核
│   ├── 进程管理
│   ├── 内存管理
│   ├── 文件管理
│   └── 驱动管理
│
└── 其他程序
    ├── Shell
    ├── 函数库
    └── 其他工具

命令行只是我们接触操作系统的一种方式，真正核心的是内核。

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四、操作系统为什么存在？

操作系统其实承担着两个方向的工作。

对下

面对硬件：

CPU
内存
磁盘
网卡
各种外设

操作系统负责统一管理这些资源。

对上

面对用户程序：

C/C++程序
Shell程序
各种应用程序

操作系统需要给它们提供一个比较方便的运行环境。

操作系统的设计目的为：

向下管理软硬件资源，向上为应用程序提供良好的执行环境。

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五、操作系统最核心的定位：管理

这里有一个我觉得非常重要的概念：

操作系统是一款“搞管理”的软件。

一个比较容易理解的例子：

学生
↓
辅导员
↓
校长

管理一个群体之前，首先要做两件事情：

第一，描述对象。

第二，组织对象。

把这个思想放到计算机里也是一样的。

比如操作系统要管理很多进程：

先描述进程
↓
再组织进程
↓
最后进行管理

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六、操作系统怎么管理硬件？

先描述：
struct结构体

再组织：
链表或其他高效数据结构

也就是说，操作系统真正管理的并不是一个抽象的“硬件”。

而是先把硬件或者系统对象的信息保存下来，再通过数据结构组织这些信息。

这也是为什么 Linux 内核代码，经常能看到各种 struct。

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七、系统调用是什么？

应用程序并不能随意操作操作系统内部的数据和硬件。

操作系统会向上暴露一部分接口。

这些由操作系统提供给用户程序使用的接口，就是：

系统调用。

例如：

fork();
getpid();
getppid();

这些都是程序和操作系统发生联系的重要方式。

操作系统对外表现为一个整体，但会向上提供部分接口，而这些接口就是系统调用。

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八、为什么还需要库函数？

系统调用虽然功能强大，但是使用起来相对底层。

因此开发者可以在系统调用之上进行封装。

形成：

应用程序
   ↓
库函数
   ↓
系统调用
   ↓
操作系统内核
   ↓
硬件

这样一来，普通开发者就不需要直接面对所有底层细节。

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九、今天最大的收获

今天没有写很多代码，但我反而觉得这是非常重要的一天。

因为以前学习 C/C++ 时，我关注的是：

变量
函数
指针
数组

现在开始把视野往下面延伸：

应用程序
   ↓
库函数
   ↓
系统调用
   ↓
操作系统
   ↓
硬件

同时又从冯诺依曼体系的角度开始理解：

输入
↓
内存
↓
CPU
↓
内存
↓
输出

我开始意识到：

程序并不是孤立运行的。

程序之所以能够运行，是因为操作系统在背后帮我们管理 CPU、内存、文件以及各种硬件资源。