【Linux】 存储分级的秘密

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1. 软件为啥非要先“搬”到内存？——存储分级的秘密

咱们平时用软件（比如打开Excel），没运行时，它的代码和数据都躺在磁盘里——就像东西存放在家里的仓库。但一运行，这些东西必须先拷贝到内存，为啥？

因为电脑里的“干活的”（运算器、键盘这些硬件）都很“傲娇”：只跟内存打交道。这不是它们耍大牌，是计算机体系结构规定的——就像公司规定“报销只能找财务，不能直接找老板”。

背后更核心的原因是“存储分级”，简单说就是“越快的越小越贵，越慢的越大越便宜”，就像下图展示的：

• 最快的是CPU缓存：相当于你口袋里的零钱，拿起来最快，但装不了多少；
• 中间的是内存：像家门口的快递柜，比口袋能装，拿取速度也快；
• 最慢的是磁盘：就是家里的大仓库，能放很多东西，但找东西要半天。

而且软件跑多快，不看最快的CPU，只看最慢的环节（比如磁盘）——就像快递配送，飞机再快，最后一公里送得慢，整体还是慢。所以得先把磁盘里的程序“搬”到内存，让运算器能快速拿到数据，不耽误干活。

2. 两台电脑传文件：本质是“冯诺依曼”之间的快递

你给朋友传个照片，看似点一下“发送”就完了，其实背后是一套“快递流程”，而且本质是两台冯诺依曼体系电脑在交流（冯诺依曼体系就是电脑按“先存程序，再跑程序”的逻辑工作）。

具体流程就像这样：
你电脑的磁盘（你家仓库）→ 你电脑的内存（你家客厅）→ 你电脑的网卡（快递员）→ 网络（马路）→ 朋友电脑的网卡（朋友家快递员）→ 朋友电脑的内存（朋友家客厅）→ 朋友电脑的磁盘（朋友家仓库）。

一句话总结：文件先“搬”到内存，再交给“快递员”，送到对方后，先放内存，最后存仓库——这就是两台冯诺依曼电脑交流的核心逻辑。

3. 操作系统：电脑的“小区物业”

你用微信、玩游戏时，从不用管“键盘怎么识别输入”“内存够不够用”——这都是操作系统（OS） 在帮忙。它就像小区物业：

• 硬件（键盘、内存、磁盘）是小区里的电梯、水管（基础设施）；
• 软件（微信、游戏）是小区业主；
• 物业（OS）的作用：帮业主协调用电梯（比如你打字时，OS让键盘把数据传给微信），不用业主自己去修电梯、管水管。

操作系统分两部分，就像下图里展示的结构：

• 内核：物业的“核心部门”，管最关键的事：
  • 进程管理：安排业主的“活动”（比如让微信和浏览器轮流用CPU）；
  • 内存管理：分配小区“车位”（给每个程序分内存空间）；
  • 文件管理：管业主的“快递”（比如你存的照片、文档）；
  • 驱动管理：找“电梯维修师傅”（让硬件能正常工作，比如显卡驱动）。
• 其他程序：物业的“前台和服务”，比如：
  • Shell（命令行）：物业前台，你输ls“查快递”，前台就告诉内核去查文件；
  • 函数库：比如C语言的printf，像物业的“便民服务”，帮你简化操作。

4. 操作系统怎么管东西？——先描述，再组织

不管是管进程、管文件，OS的核心逻辑就一句话：先描述，再组织。用学校管理的例子（像下图里的思路），一看就懂：

比如校长要管1000个学生，第一步不是直接喊名字，而是“先描述”：
给每个学生建一张“信息卡”，记着姓名、学号、班级——就像OS管进程时，先给每个进程建一张“信息卡”（后面会说的task_struct），记着进程ID、状态、占用内存。

然后“再组织”：把这些“信息卡”按班级串起来（比如用链表，像串珠子）——OS就用链表、数组这些结构，把进程的“信息卡”组织起来。

这样校长要找“张三”，不用挨个教室问，直接查链表；OS要找某个进程，也不用遍历所有程序，直接查组织好的结构。

这里用C语言写个简单例子，帮你理解“描述+组织”：

// 1. 先“描述”：用结构体存每个学生的信息（相当于“信息卡”）
struct Student {char name[20];  // 姓名int id;         // 学号char class[10]; // 班级struct Student* next; // 指向下一个学生，用来“组织”
};// 2. 再“组织”：用链表把学生串起来（相当于“按班级串信息卡”）
struct Student* student_list = NULL; // 链表头（第一个学生）// 新增学生 = 链表加节点（校长“收新学生”）
void add_student(char* name, int id, char* class) {struct Student* new_stu = malloc(sizeof(struct Student));strcpy(new_stu->name, name);new_stu->id = id;strcpy(new_stu->class, class);new_stu->next = student_list; // 插在链表头student_list = new_stu;
}// 查学生 = 遍历链表（校长“找学生”）
struct Student* find_student(int id) {struct Student* p = student_list;while (p != NULL) {if (p->id == id) return p;p = p->next;}return NULL;
}

其实世界上所有管理，都是先描述再组织：比如公司管员工（先记工号、部门，再按部门分组），超市管商品（先记条码、价格，再按货架分类）——OS也不例外。

5. 系统调用：你和硬件之间的“银行柜台”

OS有个矛盾：既不相信你（怕你乱改硬件，比如删了系统文件），又得帮你干活（比如你要读磁盘里的照片）。怎么解决？——开“柜台”，也就是系统调用。

这就像银行：你要取金库的钱（访问硬件），不能自己进金库（直接操作磁盘），得去柜台（调用系统调用），银行职员（OS）帮你取。

• 本质：OS提供的C语言函数接口，比如你要读文件，就调用open()；要写数据，就调用write()。
• 关键规则：你写的程序想碰硬件，必须通过系统调用让OS帮忙——没有例外。

还有个容易搞混的点：库函数和系统调用的关系。比如你常用的printf("Hello")（库函数），看起来简单，底层其实调用了write()系统调用（让文字显示在屏幕上）。

简单说：库函数是“银行APP”，系统调用是“银行柜台”。你用APP转账（用库函数），比直接去柜台（写系统调用）方便，但APP最终还是会调用柜台接口。

用代码举个例子，看底层关系：

#include <stdio.h>
int main() {// 库函数：用起来简单，不用管底层怎么跟硬件交互printf("Hello World!\n"); return 0;
}// 编译后看底层：用gcc -S test.c生成汇编代码，会发现printf最终调用了write系统调用
// 结论：只要库函数要碰硬件（比如打印到屏幕），底层一定藏着系统调用

6. 进程管理：OS怎么“盯”着程序跑？

你打开的微信、浏览器，在OS里都叫“进程”——OS管进程，其实是管一个叫task_struct的东西（也叫PCB，进程控制块）。

task_struct就是进程的“身份证+说明书”，像下图里展示的，里面记着进程的所有关键信息：

• 进程ID（PID）：相当于身份证号，唯一标识一个进程；
• 进程状态：是“正在运行”“等着CPU”还是“睡着了”；
• 占用资源：用了多少内存、CPU跑了多久；
• 打开的文件：比如进程打开的文档、图片。
  
  
  

OS管理进程，其实就是管理这些task_struct——比如把它们用链表组织起来，要启动进程就加个节点，要停进程就删节点。

最后说几个常用的Linux命令，帮你实际操作进程（效果像下图里展示的）：

# 1. 查看所有进程：像OS查所有“正在活动的程序”
ps axj# 2. 找特定进程：比如找“firefox”（浏览器）的进程
ps axj | grep firefox# 3. 杀掉进程：比如杀掉PID为1234的进程（PID从ps命令里看）
kill 1234# 4. 更改进程的当前路径：比如让进程的“当前工作目录”改成/home
cd /home  # Shell命令，底层调用chdir()系统调用

如果想通过代码改进程路径，也很简单，就像下图示例的逻辑：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {// 系统调用：直接改当前进程的路径int ret = chdir("/home");if (ret == 0) {printf("进程当前路径已改成 /home\n");}return 0;
}

简单说：你用命令或代码操作进程，其实是告诉OS“去改task_struct的信息”——比如kill命令，就是让OS把某个task_struct标记为“终止”，然后回收资源。