《Linux系统编程之系统导论》【冯诺依曼体系结构 + 操作系统基本概述】

往期《Linux系统编程》回顾：
/------------ 入门基础 ------------/
【Linux的前世今生】
【Linux的环境搭建】
【Linux基础 理论+命令】（上）
【Linux基础 理论+命令】（下）
【权限管理】
/------------ 开发工具 ------------/
【软件包管理器 + 代码编辑器】
【编译器 + 自动化构建器】
【版本控制器 + 调试器】
【实战：倒计时 + 进度条】

前言：

🎉hi~ 小伙伴们大家光棍节好啊，☆(・ω<)★✨
嗯~ o(￣▽￣)o今天是双11哦，一个兼具 “单身社交” 与 “消费狂欢” 双重属性的节日，影响力覆盖全年龄段，太有氛围感啦～哈哈 (ﾉ≧∀≦)ﾉ💻🛒

经过之前的铺垫，咱们已经能熟练操作 Linux 操作系统，也摸清了 Linux 下的常用开发工具，还通过实战练了手 —— 现在，终于要正式踏入《Linux 系统编程》的核心学习啦！
在开启正题前，先给大家安排一份 “新手必看先导教程”——【冯诺依曼体系结构 + 操作系统基本概述】！

这俩内容是理解系统编程的 “底层逻辑钥匙”，咱们简单说说重点：≧◉◡◉≦💡

• 冯诺依曼体系结构：是现代计算机的设计基础，明确了计算机五大核心部件组成，还规定了数据和指令的存储与运行方式，搞懂它就能明白程序在电脑里是怎么 “跑起来” 的　(・∀・)ﾉﾞ
• 操作系统基本概述：则会带大家认识 “系统管家” 的核心作用 —— 它是硬件和应用软件之间的桥梁，负责管理硬件资源、调度程序运行、提供用户交互接口，咱们平时用 Linux 的各种操作，背后都是操作系统在默默 “打工”～ (｀・ω・´)

先把这两个基础知识点吃透，后续学习系统编程就能事半功倍，赶紧跟着鼠鼠一起解锁这份 “入门秘籍” 吧！　(´｡• ᵕ •｡)

---------------冯诺依曼体系结构---------------

1. 什么是冯诺依曼体系结构？

冯・诺依曼体系结构：是 1945 年由美籍匈牙利数学家约翰・冯・诺依曼（John von Neumann）提出的 计算机硬件设计框架

• 它确立了现代计算机的核心结构逻辑，至今仍是绝大多数通用计算机（如：个人电脑、服务器）的设计基础
• 其核心是 “存储程序原理”，即 “程序与数据以二进制形式共同存储在存储器中，计算机按顺序读取指令并执行”，具体包含五大核心组件和三大基本特征

---

五大核心硬件组件

1. 运算器（Arithmetic Logic Unit, ALU）
   负责执行算术运算（如：加减乘除）和逻辑运算（如：与、或、非、比较），是计算机的 “计算核心”
2. 控制器（Control Unit, CU）
   负责协调计算机各组件的工作：按顺序从存储器中读取指令、解析指令含义，再向运算器、存储器、输入/输出 设备发送控制信号，确保指令逐步执行（相当于计算机的 “指挥中心”）
3. 存储器（Memory）
   用于 同时存储程序代码和数据（冯・诺依曼的核心设计之一），早期以磁芯存储器为主，现代则以内存（RAM）为代表。特点是 “按地址访问”，即通过地址找到对应的存储单元，读取或写入二进制信息
4. 输入设备（Input Device）
   负责将外部信息（如：用户操作、数据文件）传入计算机
   • 例如：键盘、鼠标、话筒、摄像头、扫描仪、网卡、磁盘
5. 输出设备（Output Device）
   负责将计算机的处理结果反馈到外部
   • 例如：显示器、打印机、音箱、网卡、磁盘

关于冯・诺依曼体系结构，有几点关键内容需要强调：

• 这里所提及的存储器，指的是内存
• 在不考虑缓存的情况下，CPU 仅能对内存进行读写操作，无法直接对输入或输出设备等外设进行数据层面的访问
• 外设（输入或输出设备）若要进行数据的输入或输出，也只能向内存写入数据或者从内存中读取数据

简而言之：所有设备都只能直接与内存进行数据交互

---

三大核心特征

1. 程序与数据同源存储
   程序（指令序列）和数据都以二进制形式存储在同一个存储器中，而非分开存储（区别于早期 “程序外存” 的设计），这让计算机可以灵活加载不同程序，实现通用计算
2. 指令执行的 “串行顺序性”
   控制器按 “取指令→解析指令→执行指令→取下一条指令” 的顺序循环执行（称为 “指令周期”），默认情况下指令逐条串行处理（现代计算机通过多核、流水线等技术优化，但核心逻辑仍基于此）
3. 二进制编码
   计算机内部所有信息（指令、数据、符号等）均以二进制（0 和 1）表示，这是因为电子元件（如：晶体管）的 “通/断” 状态天然适合二进制逻辑，便于硬件实现和信号传输

2. 程序在运行之前为什么要加载到内存中？

在冯・诺依曼体系结构下，软件运行有着明确的流程和规则：

软件（程序）在运行之前，是以文件形式存储在磁盘等外存储设备中的。而要让程序运行起来，必须先将其从磁盘加载到内存中。

这一要求是由冯・诺依曼体系结构规定的，因为该体系结构下，CPU 无法直接从磁盘等外设获取程序指令和数据来执行。

---

1. CPU 与内存的交互核心：CPU 要获取指令、写入数据，都只能与内存进行交互。

• 也就是说，CPU 执行我们编写的代码、访问程序中使用的数据时，这些代码和数据必须事先存在于内存里

---

2. 外设与内存的协作：

• 当涉及到输入（Input）操作时，外部设备（如：键盘、鼠标、传感器等）不能直接将数据传递给 CPU，而是需要先把数据 “拷贝” 到内存 中
• 同样，输出操作时，数据也是从内存 “拷贝” 到外部输出设备（如：显示器、打印机等）

整体来看，数据在设备间的流转，是从一个设备 “拷贝” 到另一个设备的过程

3. 冯诺依曼体系结构的局限？

冯・诺依曼体系的核心瓶颈是 “冯・诺依曼瓶颈”：
由于存储器与运算器之间的数据传输速度，远低于运算器的处理速度，导致计算机整体性能受限于 “数据传输带宽”

---

所以冯・诺依曼体系结构的整体效率，很大程度上 由设备之间 “拷贝” 数据的效率决定

• 因为数据在不同设备（如：磁盘到内存、内存到 CPU、内存到其他外设等）之间的传输速度，会直接影响程序执行的整体速度
• 如果 “拷贝” 效率低下，即便 CPU 运算能力很强，整个系统的运行也会受到制约，就像是木桶原理 —— 木桶能装多少水，取决于最短的那块木板。哪怕 CPU 运算速度再快（如同木桶中较长的木板），但只要数据在内存、外设、CPU 之间的传输（“拷贝”）拖慢了节奏，整个系统的性能就会被这一环节限制，无法充分发挥 CPU 等高速组件的能力

为缓解这一问题，现代计算机在其基础上增加了缓存（Cache）、多核处理器、并行计算架构等，但核心的 “存储程序 + 五大组件” 逻辑仍未改变，因此仍属于冯・诺依曼体系的延伸。

4. 如何通过冯诺依曼体系结构来理解数据流动？

要深入理解冯・诺依曼体系结构，不能仅停留在概念层面，而要结合实际软件的数据流动过程来分析。

以在 QQ 上和朋友聊天（发送消息）为例，详细解释数据的流动过程：

---

发送消息的数据流过程（以北京用户给南京用户发 “你好！” 为例）

• 输入阶段：消息录入与初步处理

  • 用户在位于北京的电脑上，通过键盘输入 “你好！”，此时，键盘作为输入设备，将用户的按键操作转化为电信号形式的数据，然后把这些数据传输到计算机的内存中（遵循冯・诺依曼体系 “数据需先进入内存” 的规则）
  • 同时，QQ 软件本身也早已被加载到内存中运行，随时准备处理用户的输入操作

• 处理与传输阶段：数据的运算、封装与网络发送

  • 计算机的 中央处理器（CPU） 从内存中读取 QQ 程序的指令以及刚输入的 “你好！” 消息数据，进行一系列运算和处理（比如：按照 QQ 程序的逻辑，对消息进行格式封装等）
  • 处理完成后，CPU 控制将封装好的消息数据再次写入内存
  • 接着，网卡作为输出设备（负责网络数据输出），从内存中读取这些消息数据，按照网络通信协议（如：TCP/IP）进一步封装成网络数据包，然后通过网络（如：互联网）发送出去，数据包会经过一系列网络设备中转，最终向南京方向传输

• 接收与显示阶段：数据的接收、解析与呈现

  • 首先，位于南京的电脑的网卡作为输入设备，接收到来自网络的数据包后，将其传输到内存中
  • 然后，CPU 从内存中读取数据包，按照 QQ 程序的逻辑进行解析，提取出 “你好！” 这条消息数据
  • 最后，显示器作为输出设备，从内存中获取解析后的消息数据，将 “你好！” 显示在屏幕上，完成整个消息接收与展示的过程

---------------操作系统概述---------------

1. 什么是操作系统？

操作系统（Operating System，简称 OS）：是 管理计算机硬件与软件资源的核心系统软件，也是计算机系统中所有其他软件运行的 “基础平台” 和 “桥梁”

• 它介于计算机硬件（如：CPU、内存、磁盘）和用户（或应用程序，如：QQ、浏览器、Office）之间
• 它负责 协调硬件资源分配、管理软件运行逻辑，同时为用户提供便捷的交互接口，是计算机能够正常工作的 “灵魂”，没有操作系统，你的电脑就是一堆行尸走肉的废铁

2. 操作系统有哪些部分组成？

概括来讲，操作系统主要由以下两部分组成：

• 内核：它承担着核心的管理工作，具体包括：
  • 进程管理（负责调度和管理计算机中运行的程序进程）
  • 内存管理（对计算机的内存资源进行分配与回收等操作）
  • 文件管理（管理存储设备上的文件，如：创建、删除、读写文件等）
  • 驱动管理（为计算机硬件设备提供驱动支持，使硬件能与系统正常交互）
• 其他程序：
  • 函数库（为应用程序提供可调用的函数，助力程序实现各类功能）
  • shell 程序（为用户提供与操作系统内核交互的命令行界面，方便用户输入指令操作计算机）

3. 为什么需要操作系统？

如果没有操作系统，用户要使用计算机必须 “直接与硬件对话”—— 比如：用二进制代码编写指令控制 CPU，手动管理内存地址，这对普通人来说几乎不可能。

操作系统相当于“管家”：

• 对用户：提供简单的交互方式（点击图标、输入指令），无需了解硬件细节
• 对应用程序：提供统一的接口，让软件无需适配不同硬件（比如：QQ 无需区分 “Intel CPU” 还是 “AMD CPU”，只需调用操作系统的接口即可）
• 对硬件：合理分配资源，避免浪费（比如：CPU 不会因 “只运行一个小程序” 而闲置，内存不会因 “多个程序混乱占用” 而崩溃）

---

简单来说：操作系统就像计算机的 “管家”：

• 既要，管好家里的 “硬件家具”（CPU、内存等）
• 又要，服务好 “软件客人”（应用程序）
• 还要，让 “主人”（用户）用得省心

没有它，计算机就是一堆无法协同工作的硬件零件。

小故事：国家的政府

一个生动的比喻：操作系统就像是国家的政府

• 硬件（CPU、内存、硬盘）：就像是国家的资源（土地、矿产、人力）
• 应用程序（微信、Chrome浏览器、游戏）：就像是国家的公司、学校、医院

---

政府做什么？

1. 管理资源：政府决定土地给谁用，资金如何分配
2. 提供公共服务：政府修建公路、提供电力、制定法律
3. 协调与仲裁：如果两个公司争夺同一块地，政府来协调

没有政府，国家会陷入混乱；没有操作系统，计算机就无法工作

说白了操作系统就是一个：“管理者” 与 “协调者”

4. 操作系统是如何进行管理的？

一、“管理” 的核心逻辑（以 “校长管理学生” 类比）

要理解操作系统的 “管理”，可以先看生活中的例子：校长（管理者）管理学生（被管理者），而辅导员负责执行校长的决策。

操作系统的 “管理” 也遵循类似逻辑，且有三个关键特点：

• 管理者与被管理者可 “不直接见面”：

  • 校长不需要逐个找学生沟通，就能完成管理
  • 类似地，操作系统管理硬件、程序等 “被管对象” 时，也无需和它们 “直接交互”

• “数据” 是管理的核心依据：

  • 校长如何了解学生情况？靠 “Excel 表格” 里的学生数据（姓名、年龄、成绩等）
  • 操作系统管理计算机资源（如：进程、内存、文件）时，也是通过 “数据结构” 记录资源的状态、属性，以此为依据做决策

• “中间层” 负责数据传递：

  • 校长不直接找学生要数据，而是由辅导员收集后汇报
  • 操作系统里，硬件的状态、程序的信息也会通过 “驱动程序”、“系统接口” 等中间层，传递给操作系统的 “管理模块”

---

二、操作系统 “管理” 的技术映射：从 “Excel 表格” 到 “数据结构与算法”

生活中校长用 “Excel 表格” 管理学生，操作系统则用 “数据结构 + 算法” 实现对计算机资源的管理

以 “管理学生” 类比 “管理进程（运行的程序）” 为例：

• “描述” 被管对象：

  • 校长在 Excel 里用 “列” 定义学生的属性（姓名、年龄、成绩）
  • 操作系统会用 结构体（如：struct stu） 定义进程的属性（进程 ID、内存占用、运行状态等）

  struct stu 
  {char name[20];   // 姓名int age;         // 年龄float score;     // 成绩// 其他属性...struct stu *next; // 链表指针，用于组织多个学生
  };
  

• “组织” 被管对象：

  • 校长把学生的 Excel 行按 “班级”、“学号” 组织起来
  • 操作系统会用 数据结构（如：链表、数组） 把进程的结构体 “串起来”，形成 “进程链表”（如：stu list），方便批量管理（新增、删除、查询进程）

• “操作” 被管对象：

  • 校长对 Excel 里的学生数据做 “增删查改”
  • 操作系统会用**算法**对进程链表执行同样的操作（比如：新增一个进程时，把它的结构体插入链表；查询进程时，遍历链表找对应结构体）

---

三、“先描述，再组织”：操作系统的通用管理思路

无论是管理进程、内存，还是文件，操作系统都遵循 “先描述，再组织” 的逻辑：

1. 先描述：用 “结构体” 等方式，把被管对象的核心属性 “描述” 清楚（如：进程的 ID；内存占用；文件的路径、大小、权限）
2. 再组织：用 “链表”、“哈希表” 等数据结构，把这些 “描述好的对象” 组织起来，形成可高效操作的 “资源集合”

这种思路能对任何 “管理场景” 进行建模（小到管理进程，大到管理分布式系统资源）

---

大家可以回想一下：很多面向对象编程语言中，是不是都有 “类” 和 “容器” 这两个核心概念？

只是不同语言的命名或具体实现略有差异 —— 比如：

• C++ 里的容器归属于 STL（标准模板库）
• Java 中的容器是 Collections 框架（如：ArrayList、HashMap 等）
• Python 里则直接提供了 内置容器类型（如：列表 list、字典 dict、集合 set 等）

---

而这两个概念的设计逻辑，恰好对应了我们之前提到的 “先描述、再组织” 思想：

• 类（Class）的本质是 “先描述”：通过定义类的成员变量（属性）和成员方法（行为），精准描述一类事物的特征与能力
• 容器（Container）的本质是 “再组织”：当我们用类创建出多个对象（如：多个 “学生” 实例）后，容器负责将这些分散的对象按特定规则（如：顺序、键值映射）组织起来，方便后续的增删查改操作

可以说，面向对象语言中 “类 + 容器” 的组合，正是 “先描述、再组织” 这一管理思想在编程语言层面的经典体现。

---

简单来说：操作系统的 “管理”，就是用 “数据结构描述资源，用算法操作资源，用中间层传递资源信息”，最终实现对计算机软硬件的高效管控 —— 就像校长用 Excel + 辅导员，实现对学生的有序管理一样。

5. 什么是系统调用和库函数？

要理解系统调用和库函数，核心是抓住它们在 “用户程序与操作系统交互” 中的不同定位：

• 系统调用是操作系统对外开放的 “底层入口”
• 库函数则是对系统调用（或基础功能）的 “上层封装工具”

---

系统调用（System Call）：操作系统的 “官方接口”

• 定义：系统调用是操作系统内核为用户程序（或其他系统程序）提供的 底层服务接口，是用户空间程序请求内核空间服务的唯一合法途径
  • 简单说：操作系统内核掌握着计算机的核心资源（如：CPU、内存、硬盘、网络卡），普通用户程序没有权限直接操作这些 硬件/资源，只能通过 “系统调用” 向内核 “申请帮忙”
• 本质： “用户态” 与 “内核态” 切换的 “桥梁”
  • 计算机运行时分为用户态（普通程序运行的空间，权限低）和内核态（操作系统内核运行的空间，权限高）
  • 当用户程序执行系统调用时，会触发 “态切换”—— 从用户态进入内核态，让内核代完成高权限操作（如：读写硬盘、分配内存），操作完成后再切回用户态

---

库函数（Library Function）：程序员的 “便捷工具包”

• 定义：库函数是编程语言或第三方库提供的 预制函数集合，封装了常用的功能逻辑，供程序员直接调用以简化开发，无需重复编写底层代码
  • 简单说：库函数就像 “现成的工具”—— 比如：要计算平方根，不用自己写迭代算法，直接调用 C 语言标准库的sqrt()；要打印内容，不用自己处理显示器硬件，直接调用printf()
• 本质：“对基础功能的封装”，封装的内容分两种情况：
  • 基于系统调用封装：大部分与 “系统资源交互” 的库函数，底层其实是调用了系统调用。
    • C 语言的printf()，底层会调用write()系统调用来向终端输出内容
    • fopen()底层会调用open()系统调用来打开文件
  • 纯用户态逻辑封装：部分不涉及系统资源的库函数，底层没有调用系统调用，只是纯用户态的逻辑实现。
    • C 语言的strlen()（计算字符串长度）、memcpy()（内存拷贝）、sqrt()（平方根计算）—— 这些功能只需要操作用户态的内存数据，不需要内核帮忙。

---

一句话概括：

• 系统调用：是应用程序向操作系统内核请求服务的唯一正式通道

  • 它是用户态进入内核态的“大门”
  • 从开发视角来看，操作系统对外呈现为一个完整的整体，但会开放部分接口供上层开发使用，这些由操作系统提供的接口就是系统调用

• 库函数：是预先编写好、可供程序员直接调用的代码集合

  • 它们可能藏在“用户态”，也可能通过“大门”去请求操作系统服务
  • 系统调用在功能上较为基础，并且对使用者的要求相对较高。所以，有心的开发者对部分系统调用进行适度封装，进而形成库函数——有了库函数，更上层的用户或者开发者开展二次开发就会便利很多

小故事1：去餐厅吃饭

想象你(应用程序)去一家很高端的餐厅吃饭，后厨重地(内核空间)，顾客不能进入。

• 系统调用：就像是按呼叫铃
  • 这个动作本身是一个明确的、规定好的请求(按铃)。厨师(操作系统内核)听到后，会从后厨（内核态）来到你的餐桌前（用户态）为你服务
  • 你只能通过这种方式和后厨互动，不能自己跑进去。餐厅提供了菜单上所有可能的服务（比如：蒸羊羔、蒸熊掌、蒸鹿尾儿），但这些服务必须由他来完成
• 库函数：就像是餐厅里的服务员
  • 有些菜不需要惊动后厨，服务员(库函数)在餐桌旁就能完成。比如：给你倒一杯水、拿一包纸巾
    • 这相当于一个库函数完全在用户空间自己就完成了工作（例如：C语言标准库中的 strlen 函数计算字符串长度，它只是操作内存，不需要操作系统帮忙）
  • 但大部分菜需要服务员(库函数)将需求传达至后厨(内核空间)，由厨师(操作系统内核)亲自完成。比如：做一道牛排，服务员(库函数)接到你的点单(调用)后，必须替你按铃(发起系统调用)，把需求传递给厨师(操作系统内核)。后厨做好后，再由服务员端给你

小故事2：去银行取钱

想象你(应用程序)去一家银行取钱，金库(内核空间)，客户不能进入。

• 进入银行 (运行程序)
  你走进了宽敞明亮的 银行大厅(用户空间)，这里有很多其它客户(其他程序)在办理业务

• 寻找帮助 (调用库函数)
  你不知道具体该怎么取钱，于是你找到了 银行柜台(库函数)。柜台提供了很多标准化的服务：

  • 简单服务：比如咨询汇率、要一张存款单。这些服务柜台自己就能办，不用惊动后面
  • 取钱申请：但取钱这件事，柜台办不了。不过热情的 柜员(库函数) 帮你填好了 取款单 (格式化参数)，上面写清楚了“账号XXX，取款500元”

• 提交申请 (发起请求)
  你现在有两个选择：

  • A. 直接去找授权柜员：你拿着填好的单子，直接去找那位有权限进金库的 高级柜员(系统调用)
  • B. 通过大堂经理：或者，你先把单子交给 大堂经理 (Shell/命令行或图形界面)。经理一看是取款业务，就会帮你叫号，然后引导你去对应的 高级柜员(系统调用) 窗口

• 核心业务办理 (执行系统调用)
  高级柜员(系统调用) 是唯一连接大厅和金库的通道。他收到你的单子（输入参数）后：

  • 转身进入 金库重地(内核态)
  • 在金库里，他需要请示 行长(操作系统内核的核心代码)，并按照行长立下的严格规矩（系统）来操作：核对身份、查账本、数钱、记账
  • 所有这些操作，你都看不见也管不着，完全由银行内部完成

• 返回结果 (系统调用返回)
  高级柜员拿着现金和一张新的账目回单（返回值），从金库出来，回到窗口（返回用户态），把东西交给你

• 业务完成 (函数返回)
  你拿到了钱，整个取款业务圆满完成。你可以选择就此离开，也可以继续让大厅的普通柜员 (库函数) 帮你办点别的，比如：把取出来的钱再重新存进去，哈哈😂