补充 操作系统概论
1.程序向操作系统的迈进

linux> gcc -o hello hello.c
//gcc -o选项用来指定输出文件，如果不使用 -o 选项，那么将采用默认的输出文件。例如默认情况下，生
成的可执行文件的名字默认为 a.out。
//对于上述语句 hello就是我们用来输出的文件名字 hello.c就是我们的源文件名字
//要注意好-c -o的区别 -c是生成目标文件

2.信息就是context + byte

通过对于这个程序的存储，我们很容易的得出一个结论：在我们操作系统当中，所有的信息（包括
磁盘上的信息，内存中存储的信息，数据库当中的数据，图片，音视频，网络中传输的数据）全部都是
由一系列的二进制流（比特）表示。那么问题来了，当我们面对一个字节序列的时候，我们怎么知道这
个序列是整数、字符还是别的什么乱七八糟的东西呢？
其实区分不同的数据对象的方式是根据一个数据所在的环境（也叫做语境 context）。在语言学当
中，语意学（semantics）不包含语境（context），语用学（pramatics）则考虑语境对于语意的影
响。对应对编程当中同样如此，一些编程的组件（比如函数）就需要根据当时的编译或者运行时的环
境，才可以理解他的语意（运行时的结果）。所以我们才看得见老外context-free language每一条的产
生式的解释被称为semantics。其实就是类似我们以前做语文题目的那个结合上下文，或者选词填空的
那个路子。根据上下文的意思来判断这个空格应该填什么单词。对于编程语言的判别同理，我们通过结
合上下文来判断这是整数、浮点数、字符串还是一个机器指令。
你查不到是因为上下文这个东西不是一个具体的东西，上下文在不同的地方表示不同的含义，要感
性理解。
context其实说白了，和文章的上下文是一个意思，在通俗一点，我觉得叫环境更好。
…
林冲大叫一声“啊也！”
…
问:这句话林冲的“啊也”表达了林冲怎样的心里？
答:啊你妈个头啊！
看，一篇文章，给你摘录一段，没前没后，你读不懂，因为有语境，就是语言环境存在，一段话说
了什么，要通过上下文(文章的上下文)来推断。
子程序之于程序，进程之于操作系统，甚至app的一屏之于app，都是一个道理。
程序执行了部分到达子程序，子程序要获得结果，要用到程序之前的一些结果(包括但不限于外部变
量值，外部对象等等)；
app点击一个按钮进入一个新的界面，也要保存你是在哪个屏幕跳过来的等等信息，以便你点击返
回的时候能正确跳回，如果不存肯定就无法正确跳回了。
看这些都是上下文的典型例子，理解成环境就可以，(而且上下文虽然叫上下文，但是程序里面一般
都只有上文而已，只是叫的好听叫上下文。。进程中断在操作系统中是有上有下的，不过不给题主说
了，免得产生新的问题)
这就是context的含义，至于这个单词到底是谁直接翻译成上下文的，站出来我保证不打死你

3.操作系统
在硬件之上是软件。大部分计算机有两种运行模式： 内核态 和 用户态 ，软件中最基础的部分是 操
作系统 ，它运行在 内核态 中，内核态也称为 管态 和 核心态 ，它们都是操作系统的运行状态，只不过
是不同的叫法而已。操作系统内核负责管理硬件资源，如内存分配、进程调度、设备驱动等，并提供了
一组系统调用接口供用户态程序使用。
用户接口程序(shell 或者 GUI) 处于用户态中，是用户与操作系统交互的方式。并且它们位于用户
态的最低层，允许用户运行其他程序，例如 Web 浏览器、电子邮件阅读器、音乐播放器等。而且，越
靠近用户态的应用程序越容易编写，如果你不喜欢某个电子邮件阅读器你可以重新写一个或者换一个，
但你不能自行写一个操作系统或者是中断处理程序。这个程序由硬件保护，防止外部对其进行修改。

这张图还强调了操作系统所处的位置，它介于硬件和用户之间，起到了管理和协调的作用。用户态
的应用程序无法直接访问硬件，必须通过操作系统内核提供的服务来间接访问。这样的设计提高了系统
的安全性，避免了恶意软件或错误的程序破坏系统稳定性。同时，这也意味着用户态的应用程序更容易
编写和维护，因为它们不需要直接处理底层硬件细节。

4.计算机硬件简介


5.CPU

CPU就是中央处理单元，CPU的作用简单点说就是处理和执行指令。这些指令构成了程序。它是一
个核心组件，但不是唯一组件。它是计算机的大脑。正因为它是处理指令的，前面我们又讲过内存是存
放指令的。CPU又是大脑，我们都知道，大脑是用来下命令的。所以无论任何时候，它都指向主存中的
某个机器指令（通过地址）。但是，它不是直接跟主存交互。而是通过一个内部组件，叫做程序计数器
（PC），也就是我们熟知的寄存器。所以，寄存器的作用就是用来存储指向下一条指令的地址，也就是
即将执行的指令代码。为什么叫程序计数器呢？这个就要牵扯到一个概念，就是多线程。我们后面会详
细讲解。
所以说，处理器要处理指令，就需要从PC读取要处理的指令的地址，然后处理指令。处理完当前指
令以后，处理器不可能只处理一条指令呀，此时，PC就要做相对应的更新。那么，更新就牵扯到计算，
我需要计算新的数据和地址值。用来计算的东西，我们就管它叫做算数/逻辑单元（ALU）。至此，CPU
要执行一条指令的过程也就彻底理出来了。
处理器想要处理一条指令，也需要通过一定的规则，这个规则叫做指令集架构。处理器是完全按照
指令集架构来的么？在现代处理器中，其实执行一条指令是一个非常复杂的过程。在现代处理器中实际
又做了一层区分，将指令集架构和处理器的微体系结构做了划分。指令集架构是用来描述每条机器代码
指代的效果，微体系结构是用来描述处理器的具体实现。

在指令集中，通常包含以下几种类型的指令：
加载指令：用于将数据从内存加载到寄存器中。
存储指令：用于将数据从寄存器存回到内存中。
运算指令：用于对来自寄存器和内存的操作数进行运算，例如 add 指令将两个操作数相加并
将结果保存在寄存器或内存中。
通过这种方式，CPU可以高效地处理数据和执行复杂的计算任务。
除了用于保存变量和临时结果的通用寄存器外，大多数计算机还具有一些特殊的寄存器，这些寄存
器对于程序员是可见的。
其中一个重要的寄存器是 程序计数器（Program Counter, PC）。程序计数器指示了下一条需要
从内存中提取的指令的地址。当指令被提取后，程序计数器会自动更新为下一条需要提取的指令的地
址，从而确保指令能够按正确的顺序执行。
另一个重要的寄存器是 堆栈指针（Stack Pointer, SP）。堆栈指针指向内存中当前栈的顶端。它
包含了函数调用过程中传递的参数、局部变量以及未保存在寄存器中的临时变量。通过堆栈指针，CPU
可以管理函数调用期间的数据和返回地址。

6.内存
计算机中的第二个主要组件是内存。理想情况下，内存应该是非常快速的（比执行一条指令还要
快，以避免拖慢CPU的执行效率），同时容量足够大且成本低廉。然而，当前的技术手段无法同时满足
这三个要求。因此，存储系统采用了一种分层次的结构来解决这个问题。

寄存器之下是高速缓存，它主要由硬件控制。主存被分割成高速缓存行（cache lines），通常每
行大小为64字节。例如，内存地址0-63对应高速缓存行0，地址64-127对应高速缓存行1，依此类推。
使用最频繁的数据块被保存在位于CPU内部或非常靠近CPU的高速缓存中。当应用程序需要从内存中读
取数据时，高速缓存硬件会检查所需的高速缓存行是否在高速缓存中。如果在，这就是高速缓存命中
（cache hit），高速缓存会满足该请求，无需通过总线将请求发送到主内存。高速缓存命中通常只需
要两个时钟周期。如果未命中，则需要从主内存中提取数据，这将消耗大量时间。高速缓存行的数量受
限于其高昂的成本。有些机器会有两到三级高速缓存，每一级比前一级容量更大但速度略慢。
通过以上例子，我们可以看到，将所需信息从一个地方复制到另一个地方会产生较大的开销。数据
从磁盘加载到主存中，然后处理器从主存中提取指令，字符串也经历了从磁盘到主存再到显示器的过
程。这一系列操作增加了系统的开销，开销主要体现在数据复制上。因此，系统设计者需要考虑如何让
这些操作更高效地完成，这时高速缓存就起到了关键作用。
为什么会出现缓存呢？这与硬件技术有关。通常，较大的存储设备速度较慢（不要拿固态和机械来
抬杠哦），而同等存储量的高速存储设备则更为昂贵。此外，硬件的处理速度实际上又在一个瓶颈，说
白了，发展到头了。很难在快速发展了。处理器与内存之间的速度差距变得越来越大。为了在不大幅增
加成本的前提下提高数据处理效率，设计者选择不在提高内存本身的速度上下功夫，而是在处理器端引
入高速缓存。
高速缓存是一种更小、更快的存储设备，作为处理器近期可能需要用到的数据的暂存区。利用计算
机的局部性原理，大部分内存操作可以在缓存中完成，从而大大减少了访问主存的次数，提升了整体性
能。

ublic class Main {
    public static void main(String[] args) {
//验证局部性原理
        long sum = 0;
        int[][] dataArray = new int[10000][10000];
        for (int i = 0;i < 10000;i++){
            for (int j = 0;j< 10000;j++){
//初始化数据
                dataArray[i][j] = 1;
            }
        }
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0;i < 10000;i++){
            for (int j = 0;j< 10000;j++){
//初始化数据
                sum += dataArray[i][j];
            }
        }
        System.out.println(sum + "cost" + (System.currentTimeMillis() -
                beginTime));
        beginTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0;i < 10000;i++){
            for (int j = 0;j< 10000;j++){
//初始化数据
                sum += dataArray[j][i];
            }
        }
        System.out.println(sum + "cost" + (System.currentTimeMillis() -
                beginTime));
    }
}

7.主存

在存储系统的层次结构中，紧接高速缓存之下的是主存（Main Memory），也称为
RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）。尽管在1950年代与1960年代，计算机曾采用
微小的可磁化铁氧体磁芯作为主存储介质，因而那时主存有时也被称为核心存储器，但现代技术已显著
进化。所有未能通过高速缓存满足的内存访问需求，最终都会转向主存处理。
除了主存之外，许多计算机还配备了一定量的非易失性随机存取存储器。这类存储器与RAM不同，
在电源断电后不会丢失内容。ROM（Read Only Memory，只读存储器）的内容一旦存储后就不会被
修改。ROM速度快且成本低，因此如果有人问你有什么既快又便宜的存储设备，答案就是ROM。在计
算机中，用于启动计算机的引导加载模块（即bootstrap）通常存储在ROM中。此外，一些I/O卡也使用
ROM来处理底层设备控制。
另一类非易失性存储器包括 EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory，电可擦可编程只读存储器） 和 闪存（Flash Memory） 。与ROM不同，EEPROM和闪存支持数据
的擦除与重新写入，尽管这一过程相较于写入RAM更为耗时。因此，它们在使用上虽与ROM有相似之
处，但能通过重写数据来修正程序错误，提供了更高的灵活性。
闪存尤其被广泛应用于便携式存储设备中，成为数码相机中的“数字胶卷”和便携式音乐播放器的“虚
拟磁盘”。其速度介于RAM与磁盘之间，但值得注意的是，闪存存在擦写寿命限制，频繁擦除会导致磨
损。
此外，还有一类特殊的存储器—— CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金
属氧化物半导体） 存储器，尽管其存储的数据在断电后会丢失（因此被认为是易失性的），但许多计算
机仍利用CMOS来保存当前的时间和日期信息，确保即使在电源关闭后也能持续追踪这些关键数据。

8.磁盘
磁盘是一种机械装置，在一个磁盘中有一个或多个金属盘片，它们以 5400rpm、7200rpm、
10800rpm 或更高的速度旋转。从边缘开始有一个机械臂悬横在盘面上，这类似于老式播放塑料唱片
33 转唱机上的拾音臂。信息会写在磁盘一系列的同心圆上。在任意一个给定臂的位置，每个磁头可以
读取一段环形区域，称为 磁道(track) 。把一个给定臂的位置上的所有磁道合并起来，组成了一个 柱面
(cylinder) 。

别慌，这个知识点其实就建立在一个核心概念上。把这个概念吃透，剩下的全是顺理成章的事。

一、先补地基：文件名 ≠ 文件本身

在 Linux/Unix 文件系统里，文件数据是这么存的：

目录项(dentry) inode(索引节点) 数据块
┌──────────┬──────┐ ┌──────────┬────────┐ ┌──────────┐
│ 文件名 │inode号│───▶│ 权限/大小 │数据块指针│───▶│ 实际内容 │
│ hello.txt│ 12345│ │ 所有者 │ … │ └──────────┘
└──────────┴──────┘ └──────────┴────────┘

关键结论：真正标识一个文件的是 inode 号，文件名只是一个"标签"，贴在 inode 上。

你可以给同一个 inode 贴多个标签 —— 这就是硬链接。
你也可以新建一个专门存路径的小文件，指向另一个文件 —— 这就是软链接。

二、硬链接（hard link）：同一个文件的多个名字

echo “hello” > a.txt # 创建文件，假设 inode = 12345
ln a.txt b.txt # 创建硬链接（不加任何参数就是硬链接）
ls -li # -i 显示 inode 号

输出：

12345 -rw-r–r-- 2 user group 6 Sep 25 a.txt
12345 -rw-r–r-- 2 user group 6 Sep 25 b.txt

注意三个细节：

inode 号完全一样（都是 12345） → 它们是同一个文件，不是副本。
第二列数字变成 2 → 这是"链接计数"（link count），表示有几个名字指向它。
改 b.txt，a.txt 的内容同步变；反过来也一样。因为根本不存在"两个文件"。

删掉其中一个会怎样？

rm a.txt
cat b.txt # → 依然输出 hello，完全正常

因为 rm 其实叫"unlink"，它只撕掉一个标签，链接计数从 2 减到 1。只有当计数归零、且没有进程打开它时，数据块才会被真正回收。

三、软链接（symbolic link / symlink）：一张写着地址的纸条

ln -s a.txt c.txt # -s 就是 symbolic
ls -li

输出：

12345 -rw-r–r-- 1 user group 6 Sep 25 a.txt
54321 lrwxrwxrwx 1 user group 5 Sep 25 c.txt -> a.txt

区别非常明显：

inode 号不同（54321 vs 12345） → 它是一个独立的新文件。
权限是 lrwxrwxrwx，开头那个 l 代表 link。
大小是 5 字节（就是字符串 “a.txt” 的长度）→ 它的内容就是目标的路径字符串，不是真实数据。
箭头 -> a.txt 告诉你它指向谁。

删掉原文件会怎样？

rm a.txt
cat c.txt # → cat: c.txt: No such file or directory（死链接 / dangling link）
ls -l c.txt # → 红色闪烁的 c.txt -> a.txt（还在，但废了）

纸条还在，但照着纸条去找，房子已经没了。

四、一句话类比（记住这个就够了）
类比
硬链接 一个人有两个名字（大名和小名）。你叫他哪个名字，来的都是同一个人。注销户口（删名字）不影响这个人活着，直到最后一个名字也被注销。

软链接 一张写着地址的便利贴。便利贴本身是个独立物件，撕了它不影响房子；但房子拆了，便利贴就指了个空。

Windows 里：快捷方式 (.lnk) ≈ 软链接（但快捷方式是用户态的东西，symlink 是文件系统级的）；NTFS 也有硬链接和目录联结（junction）。

五、核心对比表（考试最爱考）
比较项 硬链接 软链接
inode 号 与源文件相同 不同，自己有独立 inode

本质 同一 inode 的又一个目录项 一个独立的文件，内容是目标路径

能否跨文件系统/分区 ❌ 不能（inode 号只在单个文件系统内唯一） ✅ 可以

能否链接目录 ❌ 一般不行（root 用 ln -d 除外，会破坏树形结构） ✅ 可以

源文件被删除后 ✅ 仍可通过链接访问内容 ❌ 变成死链接（broken link）

对权限的影响 无独立权限，与源文件共享 有自己的权限位（但实际访问按目标文件权限算）

文件大小 就是数据大小 等于路径字符串的长度

命令 ln 源 目标 ln -s 源 目标

六、几个帮你彻底理解的"反直觉"例子

例1：硬链接看不出谁是"源"

ln a.txt b.txt

执行完这句，a.txt 和 b.txt 地位完全平等，不存在"谁是原件谁是副本"。所谓"源文件"只是你的心理概念。这一点跟软链接完全不同（软链接有明确的方向性，c.txt -> a.txt）。

例2：软链接可以"指空气"

ln -s /tmp/不存在的文件 ghost.txt
ls -l ghost.txt # → ghost.txt -> /tmp/不存在的文件（照样创建成功）

系统不会检查目标是否存在。这是硬链接做不到的（硬链接的目标必须存在）。

例3：跨分区必崩

假设 /home 和 /boot 在不同分区
ln /home/a.txt /boot/b.txt # → ln: failed to create hard link: Invalid cross-device link
ln -s /home/a.txt /boot/b.txt # ✅ 成功

原因回到地基：inode 号只在同一个文件系统内唯一，跨分区就没法共用号码了。

例4：软链接的路径是"相对"的，容易踩坑

cd /tmp
mkdir dir && cd dir
echo hi > file.txt
ln -s file.txt …/link.txt # 在上级目录创建链接
cat …/link.txt # ❌ 可能报错！

为什么？因为链接里存的是字面字符串 file.txt，解析时是相对于链接文件自己所在目录（/tmp），而不是相对于你创建它时的位置。所以它会去找 /tmp/file.txt，而文件其实在 /tmp/dir/file.txt。

👉 经验：写软链接尽量用绝对路径 ln -s /tmp/dir/file.txt /tmp/link.txt。

例5：怎么判断一个文件有几个硬链接？

ls -l # 第二列数字就是 link count
stat a.txt # Links: 2
find / -inum 12345 # 找出所有指向同一 inode 的名字（排查重复文件神器）

七、常见考题 & 易错点

“删除源文件后，硬链接还能读吗？” → 能。因为根本没有"源"，大家平级。
“软链接占不占磁盘空间？” → 占，但极小（只占路径字符串那么点，通常几十字节）。
“修改软链接的内容会改到原文件吗？” → 会，因为写入操作会顺着链接追到目标 inode。
“cp 复制一个硬链接文件，新文件还是硬链接吗？” → 不是，cp 默认是拷贝数据，会产生新的 inode。要用 cp -a / cp -l 才能保留链接关系。
“为什么硬链接不能链目录？” → 如果允许，目录结构就从"树"变成"图"了，cd …、find、du 这些遍历算法会陷入死循环。（这也是为什么每个目录下的 . 和 … 是特例。）
“软硬链接哪个性能更好？” → 硬链接（少一次路径解析跳转），但差距微乎其微，日常不用纠结。

八、随手可以做的实验（5分钟，比看书管用）

cd /tmp
echo “OS exam” > original.txt
ln original.txt hard.txt
ln -s original.txt soft.txt

stat original.txt # 看 Inode、Links
stat hard.txt # Inode 相同，Links=2
stat soft.txt # Inode 不同，Size 很小，类型 Symbolic link

echo “changed” >> hard.txt
cat original.txt # → OS exam + changed（同一个文件）

rm original.txt
cat hard.txt # → 正常
cat soft.txt # → No such file or directory（死了）

跑一遍这套命令，这节课基本就通了。