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前言

在前文中，我們圍繞 Linux 環境，系統講解了 Git 版本控制系統的核心知識，也展開了 GDB/CGDB 調試器的全方位使用詳解。

• 本篇博客將聚焦于馮·諾依曼體系結構與操作系統概念。

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一、馮諾依曼體系結構

1. 馮諾依曼體系是什么？

簡單說，現在我們用的筆記本、公司的服務器，幾乎都在遵循一個“規矩”——馮諾依曼體系。這個規矩規定了：電腦要干活，得靠幾個核心部件配合，而且它們的“溝通方式”是固定的。

2. 核心部件有哪些？

馮諾依曼體系主要有3類核心部件：

1. 輸入單元：負責把我們的操作“告訴”電腦。比如鍵盤（敲字）、鼠標（點圖標）、掃描儀（掃文件），都是輸入設備——你操作它們，數據就進電腦了。

2. 中央處理器（CPU）：電腦的“大腦”，負責真正干活。里面有兩個關鍵角色：

   • 運算器：算數學題、比較大小（比如1+1=2，判斷“a和b誰大”）；
   • 控制器：指揮其他部件干活（比如“讓鍵盤把輸入的字送過來”“讓顯示器顯示結果”）。

3. 輸出單元：負責把電腦的結果“告訴”我們。比如顯示器（顯示畫面、文字）、打印機（打印文件），都是輸出設備——電腦處理完，結果通過它們給我們看。

馮諾依曼體系里，有個絕對不能破的規矩，也是理解的核心：

• 所有部件（輸入、輸出、CPU）都不能直接“私聊”，必須通過一個“中間人”——內存（存儲器）。

具體說：

• CPU（大腦），只認內存。它要讀數據、寫數據，只能找內存，絕對不直接碰鍵盤、鼠標、顯示器這些外設（輸入/輸出設備）。
• 外設（鍵盤、顯示器等）也一樣，想給電腦傳數據（比如你敲的字），或者想顯示電腦的結果，只能先把數據放到內存里，或者從內存里拿數據，不能直接找CPU。

3. 數據是怎么跑的？

光說規矩太抽象，我們拿“用QQ和朋友聊天”來看看數據是怎么按這個規矩流動的——

1. 你發消息時：

   • 你在鍵盤上敲字（輸入單元工作），敲的內容先傳到內存；
   • CPU從內存里拿你敲的字，處理一下，處理完再放回內存；
   • 內存再把處理好的消息傳給網絡設備（也算外設），通過網絡發給朋友。

2. 朋友收到消息時：

   • 朋友的電腦通過網絡設備（外設）收到消息，先存到他電腦的內存；
   • 他電腦的CPU從內存里拿消息，處理一下（比如“顯示在聊天窗口”），再放回內存；
   • 內存把消息傳給顯示器（輸出單元），朋友就看到你的消息了。

4. 發文件的流程也一樣

比如你給朋友發一個Word文檔：

• 文檔本來存在你的硬盤里（硬盤也是外設），發文件時，硬盤先把文檔數據讀到內存（給前臺）；
• CPU處理一下（比如“打包文件”“標記收件人”），再放回內存；
• 內存通過網絡設備把文件發出去；
• 朋友收到后，文件數據先到他的內存，CPU處理后，再從內存寫到他的硬盤（存起來），或者直接在顯示器上打開。

5. 為什么程序（比如C/C++寫的軟件）必須先加載到內存才能運行？

• 因為CPU只認內存
  程序平時是存在硬盤里的（硬盤是外設），就像文件存在抽屜里。

CPU要“執行”程序，必須讓程序先到內存里——就像你要讀抽屜里的文件，得先拿到桌面上（內存）才能看。這是馮諾依曼體系的硬性規定。

二、操作系統

1. 什么是操作系統？

你可以把操作系統（簡稱OS）理解成電腦/手機里的“大管家”。

• 任何電腦、手機、甚至智能手表，都得有這么個“管家”才能正常干活。

這個“管家”主要由兩部分組成：

• 內核：相當于管家的“大腦”，管著最核心的事兒，比如：

  • 進程管理：同時開著微信、瀏覽器、游戲，內核得協調它們誰先占用電腦的“算力”（CPU），別打架；
  • 內存管理：電腦的“臨時倉庫”（內存）就那么大，內核得分配好空間，保證每個程序都有地方放數據，用完了還能及時收回來；
  • 文件管理：我們存的照片、文檔、視頻，內核得給它們“編好號、分好類”，讓我們想找的時候一點就能打開（比如Windows的文件夾、手機的文件管理）；
  • 驅動管理：電腦外接的打印機、鼠標，手機連的耳機、充電器，內核得懂它們的“語言”（通過驅動程序），不然設備插了也用不了。

• 其他程序：相當于管家的“助手”，幫著內核干活，比如：

  • 函數庫：一些現成的“工具包”，比如計算、畫圖的基礎功能，手機APP或電腦軟件可以直接拿來用，不用自己從零開發；
  • Shell程序：我們和操作系統溝通的“翻譯官”，比如Windows的命令提示符（輸入dir看文件）、蘋果的終端，你輸入指令，它傳給內核去執行。

2. 為什么要設計操作系統？

簡單說，就是為了“上下討好”：

• 對下（管硬件）：電腦里的CPU、內存、硬盤、顯卡，手機里的芯片、攝像頭、電池，這些硬件本身“很笨”，不知道該干啥。操作系統就負責指揮它們：“CPU，你先處理一下微信消息；硬盤，把這張照片存到D盤去”，讓所有硬件高效配合，不亂跑。
• 對上（服務軟件和用戶）：我們用的微信、王者榮耀，或者電腦里的Excel，這些應用程序不想操心“怎么調用CPU”“怎么存文件”——操作系統就提供一個“舒適的環境”，應用程序只需要告訴操作系統“我要干啥”，剩下的交給操作系統處理就行。

3. 操作系統的核心功能：

• 操作系統它就干一件事：管理。

就像學校里的教務處，不管上課、不管改作業，但負責排課表、管教室、安排考試——讓老師能好好教書，學生能好好上課。

操作系統也一樣，管好硬件資源，讓應用程序能順利運行，用戶能用得舒服。

4. 怎么理解“管理”？

• 被管理的對象：比如學校里的學生（對應電腦里的“資源”，像運行的程序、內存空間、文件等）。
• 怎么管理？
  1. 描述對象：先得知道每個學生的情況——比如記下來“張三，高一2班，成績A”（對應操作系統里的“數據結構”，記錄每個程序的狀態、內存用了多少、文件存在哪）；
  2. 組織對象：把學生分好類、排好序——比如按班級分組，按學號排隊（對應操作系統里的“調度”，比如給程序排個運行順序，給文件分個文件夾）；
  3. 協調對象：輔導員（對應操作系統的具體模塊，比如進程管理器）負責日常管理，校長（對應內核）統籌全局，確保整個學校（電腦）有序運行。

三、系統調用和庫函數概念

1. 先回憶個前提

• 前面說過，操作系統（OS）是管理電腦所有硬件（CPU、內存、硬盤等）的“大管家”。

• 硬件這東西很“金貴”，不能隨便讓外面的程序（比如微信、瀏覽器）直接碰——萬一程序亂操作，可能把硬盤里的文件刪了，或者占滿內存讓電腦卡崩。

• 所以，所有想操作硬件的需求，都得經過操作系統同意，由操作系統來“代勞”。那程序怎么跟操作系統“溝通”呢？這就要用到“系統調用”了。

2. 什么是系統調用？

系統調用可以理解成：操作系統給上層程序（比如APP、軟件）開的“官方接口”。

• 就像你想讓物業幫你修水管，不能直接闖進物業辦公室瞎指揮，得通過物業提供的“報修電話”（官方接口）才行。
• 程序想讓操作系統幫忙做一些底層操作（比如讀硬盤里的文件、申請內存空間、打印東西），也得通過這些“官方接口”——也就是系統調用。

舉個例子：

當你用記事本寫了一段話，點“保存”的時候，記事本程序不會自己直接去操作硬盤（它也沒這權限），而是會通過一個系統調用，告訴操作系統：“請幫我把這些數據寫到硬盤的XXX位置”。操作系統收到請求后，會自己去操作硬盤完成保存，然后告訴程序“搞定了”。

3. 系統調用的特點

• 系統調用是操作系統直接提供的，功能很基礎、很底層，能完成所有核心操作（比如讀寫文件、管理進程）。
• 但它有個缺點：對使用者（程序員）要求比較高。

比如你想通過系統調用讀一個文件，可能需要自己處理很多細節：先檢查文件是否存在、申請內存緩沖區、處理讀寫錯誤（比如文件被刪了）……步驟多，容易出錯。

4. 庫函數又是什么？

• 庫函數可以理解成：程序員對系統調用做的“封裝和優化”，目的是讓開發者用起來更方便。

就像物業的“報修電話”雖然能解決問題，但步驟繁瑣（要報地址、報問題、等確認），于是有人專門做了個“便民報修小程序”，把這些步驟簡化成“選地址+選問題+提交”，你用起來就簡單多了。這個“小程序”就相當于“庫函數”。

舉個例子：

C語言里有個庫函數叫fopen（打開文件），它的底層其實就是調用了系統調用。但fopen幫你處理了很多細節：比如自動檢查文件是否存在、默認申請了內存緩沖區、出錯了會返回統一的錯誤碼……程序員用fopen打開文件，比直接用系統調用簡單10倍。

5. 系統調用和庫函數的關系

簡單說：很多庫函數是基于系統調用實現的，是系統調用的“升級版”。

• 系統調用是“底層基礎”，是操作系統直接提供的“官方接口”，功能全但繁瑣；
• 庫函數是“上層工具”，是對系統調用的封裝，更易用、更適合日常開發。

承上啟下：和進程管理的關系

• 前面說過，操作系統管理進程的邏輯是“先描述，再組織”（用結構體描述進程，用鏈表組織進程）。
• • 那程序怎么創建一個新進程、結束一個進程呢？其實也是通過系統調用！比如操作系統會提供“創建進程”的系統調用，程序通過它告訴操作系統“幫我建個新進程”，操作系統就會用結構體描述這個新進程，再把它加到鏈表中管理。后面學進程的時候，我們會具體看到這些系統調用是怎么工作的

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