【Linux】-操作系统

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一、冯•诺依曼架构（Von Neumann architecture）

1.1 冯•诺依曼体系

冯诺依曼体系结构 (Von Neumann architecture) ，又称 "范纽曼型架构"。它是我们常见的计算机，如电脑、笔记本或服务器大部分都遵守的一个架构体系。

输入设备：键盘 | 话筒 | 摄像头 | 磁盘 | 网卡 | 写字板 ...
输出设备：显示器 | 音响 | 打印机 | 磁盘 | 网卡 | 显卡 ...
[CPU]：运算器 + 控制器
存储器：内存

📌 注意事项：

图中的存储器指的就是内存。
不考虑缓存情况，这里的 CPU 能且只能对内存进行读写，不能访问外设（输入或输出设备），外设想要输入或输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
所有设备都只能和内存打交道。
我们平常读文件就是从磁盘上读取，写文件都是写入到磁盘，这种操作我们就叫 I/O

1.2 存储器（内存）存在的意义

❓ 思考：为什么冯诺依曼体系中要存在 "内存" 这样的东西？

📌 数据角度：CPU 不和外设直接交互，而是和内存交互。（外设也是如此）

输入设备在输入数据时不是把数据直接交给 CPU 的，CPU 获取、写入数据都是在内存中进行的，所以需要把数据先从外设交给存储器，再将存储器当中的数据再被 CPU 读取，CPU 计算完后再将数据写回存储器，再由内存刷新回输出设备。因此在整个计算机体系当中，内存是属于数据层面上的核心地位。

🔨技术角度：不使用内存会拉低 CPU 的效率

数据是从一个设备 “拷贝” 到另一个设备的，体系结构的效率由设备 “拷贝” 的效率来决定，这个时候我们需要知道一个存储分级的概念：

在计算机中，有很多种存储，且存储的速度方面是有差别的。站在我们刚刚展出的冯诺依曼体系结构来看，就是 "输入设备" 是最快的，"输出设备" 是最慢的。存储器是适中的，如果我们此时不考虑内存的存在：

根据木桶原理，总效率就取决于效率最低的设备，CPU 需要长时间等待输入设备，这就大大拖慢了计算机 CPU 的效率。

但就算加了内存，根据木桶原理最慢的还是输入输出设备啊？似乎并没有什么改变，为了解决这个问题，我们需要了解内存的概念。

内存作为“中介”设备还起到一个缓冲的作用，因为它的效率比输入设备与输出设备快的多，但又比中央处理器慢。并且内存还有一个优点就是：提供预载数据的能力。

根据局部性原理，当一个数据正在被访问时，那么下一次有很大可能会访问其周围的数据。虽然内存的数据慢于寄存器，但内存的空间更大，能存储更多的临时数据，所以当CPU需要获取某一行数据时，内存可以将该行数据之后的数据一同加载进来，而CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的，这样下次CPU就可以直接从内存当中获取数据，大大提升效率。

💰成本角度：造价成本：寄存器 $gif.latex?%5Cgg$ 内存 $gif.latex?%5Cgg$ 磁盘 (外设)

既然输入输出设备所在的区域效率这么低，我们制造一个很大空间的寄存器，我们把输入输出，内存等设备全部丢进寄存器不就好了？你如果想的话当然可以这么做，那计算器确实也变得很快，但这样做很贵啊！效率确实是高了，但我们普通人存储临时数据使用昂贵的寄存器太浪费了啊！

💡 内存的意义：使用较低的钱的成本，能够获得较高的性能。因为内存的存在，我们现在可以用不多的钱买上一台性价比不错的电脑，这就是内存的最大价值，这也是互联网存在的基础。

二、操作系统

操作系统是一款软件，用来进行对软硬件资源进行管理的软件。任何一款计算机系统都包含一个基本的程序集合，我们称之为操作系统（ $gif.latex?%5Ctextrm%7BOS%7D$ ）。

操作系统包括：

内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
其他程序（例如函数库，shell 程序等）

2.1 为什么要有操作系统

首先我们知道在计算机的底层存在各种硬件设备，这些硬件设备通过冯•诺依曼体系结构联系在一起。

但是仅有这些硬件是不够的，还需要一个软件来对这些硬件进行系统化管理。例如：内存何时从输入设备读取数据？读取多少数据？内存何时刷新缓冲区到输出设备？是按行刷新还是全刷新？这个软件就是我们所谈论的操作系统。

一般而言，操作系统为了保护自己的内在结构，并不会将源码呈现给用户，而是而是封装出一些接口提供给用户。这些接口一般被称为系统调用接口，但是这些接口对于普通用户来说具有一定的使用成本，因为用户必须要先对操作系统有一定了解，为了方便用户，所以又对系统接口进行封装形成我们的用户操作接口，常见的用户接口有各种库如libc以及部分指令，我们一般在实际编写的过程中调用各种的函数printf，scanf就是来源于这些库。

而最上层还有一层用户层，一般是由我们用户通过指令或图形化界面进行各种操作。

我们可以得出以下几个结论：

软硬件体系结构是层状结构
访问操作系统，必须使用系统调用（函数）
任何程序只要访问了硬件，那么它就必须贯穿整个操作系统
库可能在底层封装了系统调用，比如 printf，cout 等

管理的目的：① 对上：提供一个良好稳定的运行环境 ② 对下：管理好软硬件资源。

而我们今天要重点谈论的就是 "管理"，什么叫做管理？如何理解？

2.2 对管理的认识

定位：在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是一款纯正的 "搞管理" 的软件。

我们先看看人是如何做事的，人做事：

决策 $gif.latex?%5Crightarrow$ 执行

比如今天我打算晚上跟朋友一起开黑，这就是决策。晚上吃完饭你很喊朋友上号，然后一起开黑去了，这就是执行。这就是 决策过程 和 执行过程 ，虽然决策和执行在我们人身上似乎是混合体的，我决策我执行。但是计算机中，为了能够做更好的功能解耦，决策和执行实际上是可以分离开来的。

"有人负责决策，也有人负责执行。"

举个学校的例子，校长做决策，辅导员去执行。校长连我的面都不见，如何管理我呢？管理你要和你打交道，要和你见面吗？他是怎么做到的？

管理的本质：不是对管理对象进行直接管理，而是只要拿到管理对象的所有的相关数据，我们队数据的管理，就可以体现对人的管理。

这是我又有一个问题了，如果你说它连我的面就不见，他又是如何拿到我的数据的呢？执行者可不是只拿数据，还可以落实对应的政策。

2.3 先描述再组织

对管理的进一步理解：人认识世界的方式 —— 人是通过属性认识世界的一切事物都可以通过抽取对象的属性，来达到描述对象的目的。

继续刚才的例子，如果你自己就个是个当过程序员的校长，你想管理学校的同学，那么就可以抽取所有同学的属性，描述对应的同学，我们知道 Linux 内核代码是由C语言写的。

那么C语言中有没有一种数据类型，能够达到描述某种对象的功能？他就是 —— struct

struct student
{
    学生的基本信息(身高，姓名，年级，电话...)   
    在校基本信息(专业，班级，年级)
    考试成绩（平时成绩，期末成绩）
    学校活动（...学生会, 班长？）
    其他信息
 
    struct student* next;
    struct student* prev;
};

如此一来，对学生的管理，就变成了对链表的增删查改。然后我们在有头插、尾插的各种方法。现在如过我想找到考试成绩最好的学生，只需要遍历整个链表，找到那个学生的结点即可。再比如，学校的挂科率太高了，要整治一下这个问题，我们就执行一个排序算法，以绩点排序。按升序排列，找到若干名排在前面的绩点低的学生，再通过自带的信息联系到辅导员，进行管理。