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《优选算法指南-必刷经典100题》《Linux操作系统》:从入门到入魔
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目录
[一. 冯诺依曼体系结构](#一. 冯诺依曼体系结构)
[1.1 计算机的核心组件](#1.1 计算机的核心组件)
[1.2 为什么存在内存？](#1.2 为什么存在内存？)
[1.3 CPU 的核心地位](#1.3 CPU 的核心地位)
[1.4 数据流动过程实际场景](#1.4 数据流动过程实际场景)
[二. 操作系统(Operator System)](#二. 操作系统(Operator System))
[2.1 操作系统的核心概念](#2.1 操作系统的核心概念)
[2.2 为什么要有操作系统](#2.2 为什么要有操作系统)
[2.3 四大核心功能](#2.3 四大核心功能)
[2.4 如何理解"管理"](#2.4 如何理解“管理”)
[2.5 系统调用与库函数概念](#2.5 系统调用与库函数概念)
前言：
要理解 Linux 进程的本质，必须先回溯现代计算机的底层逻辑 ------冯诺依曼体系结构。这一由冯・诺依曼提出的经典架构，确立了计算机的核心组成范式：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大组件，且关键特征是 "存储程序"------ 将指令和数据一同存储在存储器中，由控制器按顺序读取并驱动运算器执行
在冯诺依曼架构中，存储器（内存） 是核心枢纽：**CPU（运算器 + 控制器）**从内存中获取指令和数据，完成计算后再将结果写回内存；输入设备（如键盘、磁盘）向内存传入数据，输出设备（如显示器、打印机）从内存读取结果。这种 "CPU - 内存" 为核心的交互模式，决定了后续操作系统和进程设计的底层约束 ------ 所有程序必须加载到内存才能被 CPU 执行，而如何高效管理内存、协调 CPU 与设备的资源分配，成为了技术演进的核心命题
一. 冯诺依曼体系结构
我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系
1.1 计算机的核心组件
截止目前，我们所认识的计算机，都是由一个个的硬件组件组成：
- 输入单元：包括键盘，鼠标，扫描仪，写板等
- 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
- 输出单元：显示器，打印机等。
- 即可以是输入又是输出单元：网卡，硬盘等
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| 组件名称 | 核心功能 | 典型硬件实例 | 在冯诺依曼体系中的核心角色 |
| 运算器（ALU） | 执行算术运算（加 / 减 / 乘 / 除）、逻辑运算（与 / 或 / 非 / 比较），处理 CPU 核心计算任务 | 集成于 CPU 内部（算术逻辑单元） | 计算机的 "计算核心"，接收控制器指令，对存储器传入的数据进行运算，输出结果回存存储器 |
| 控制器（CU） | 解析存储器中的指令，协调五大组件按顺序执行操作，处理中断信号 | 集成于 CPU 内部（控制单元） | 计算机的 "指挥中枢"，遵循 "存储程序" 原则，按指令流驱动运算器、存储器、I/O 设备协同工作 |
| 存储器 | 存储程序指令和数据（冯诺依曼核心特征），分为内存（主存）和外存（辅存） | 内存（RAM）、硬盘、SSD、U 盘 | 体系中的 "核心枢纽"：内存直接与 CPU 交互（CPU 取指 / 存结果），外存作为长期存储载体，数据需加载到内存才能被 CPU 处理 |
| 输入设备 | 将外部数据（用户操作、传感器信号等）转换为计算机可识别的二进制形式，传入内存 | 键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、麦克风 | 数据 "输入通道"，突破计算机自身的信息局限，向系统注入原始数据 / 指令 |
| 输出设备 | 将存储器中的运算结果（二进制形式）转换为人类可感知的形式（视觉、听觉等） | 显示器、打印机、音箱、投影仪、打印机 | 结果 "输出通道"，将计算机处理后的信息反馈给用户 / 外部设备，完成交互闭环 |
关于冯诺依曼，必须强调几点：
- 这里的存储器指的是内存
- 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)(数据层面)
- 外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取
- 一句话总结，CPU不和外设打交道，所有设备都只能直接和内存打打交道
1.2 为什么存在内存？
------给电脑提供性价比，提高电脑的效率！
1.3 CPU 的核心地位
- 运算器和控制器共同组成中央处理器（CPU），是计算机的 "大脑"；
- 现代 CPU 会集成多级缓存（L1、L2、L3），但缓存本质是内存的 "加速延伸"，核心数据交互仍遵循冯诺依曼规则；
- 存储层次关系（从快到慢、成本从高到低）：CPU 寄存器 → 高速缓存 → 内存 → 本地磁盘 → 远程存储
。
1.4 数据流动过程实际场景
场景一：张三在QQ发"在吗"给李四
场景二：张三在QQ发文件给李四
二. 操作系统(Operator System)
2.1 操作系统的核心概念
操作系统是一个 "软件集合"，分为广义 和狭义两类：
- 狭义 OS（内核 / Kernel）：直接与硬件交互，核心包含进程管理、内存管理、文件管理、驱动管理四大模块；
- 广义 OS：内核 + Shell（命令行解释器）+ 函数库（如 glibc）+ 系统工具（如 ls、cp），为用户和应用提供完整运行环境
2.2 为什么要有操作系统
OS 存在就干两件事，刚好卡在 "上下之间"：
- 承上：让用户 / 软件 "省心"------ 你不用懂怎么操控 CPU 寄存器、怎么读写硬盘，点一下鼠标就能启动程序，全靠 OS 把复杂的硬件操作 "包装" 成简单的指令。
- 启下：让硬件 "物尽其用"------ 比如 CPU 就一个，却能同时跑多个程序；内存就那么大，却能装下好几个 APP，都是 OS 在背后协调硬件资源，避免浪费。
举个例子：你点外卖（应用），不用自己找骑手、抢餐箱（硬件）------ 外卖平台（OS）会帮你协调，这就是 "承上启下" 的作用。
2.3 四大核心功能
这个 "大管家" 的核心活儿就 4 件，覆盖了硬件资源的全生命周期：
- 进程管理：给程序 "排档期"比如你同时开着微信和视频，OS 会让 CPU 在两个程序之间快速切换（快到你感觉不到卡顿），保证每个程序都能分到 "干活时间"。
- 内存管理：给程序 "分工作台"打开一个游戏，OS 会专门划一块内存给它用；游戏关掉后，又把这块内存 "收回来" 给其他程序 ------ 避免内存被 "占着不用"。
- 文件管理：给数据 "建仓库"你电脑里的文件夹、文档，本质是 OS 把硬盘里的二进制数据，包装成了 "能看懂的文件"，还负责给文件分类、存 / 取、防丢
- 设备管理：给外设 "当翻译"你插个 U 盘、连个打印机，OS 会自动识别它们，把设备的 "语言" 翻译成系统能懂的指令 ------ 不用你手动调硬件参数
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| 核心功能 | 管理对象 | 核心作用 | 生活类比 |
| 进程管理 | CPU、程序进程 | 调度 CPU 运行时间，实现多程序 "同时" 运行 | 外卖平台给骑手排多单配送档期 |
| 内存管理 | 内存空间 | 分配 / 回收内存，避免 资源闲置 / 冲突 | 外卖平台给骑手排多单配送档期 |
| 文件管理 | 硬盘等存储设备的数据 | 组织数据为文件 / 文件夹，负责存 / 取 / 防丢失 | 外卖平台给骑手排多单配送档期 |
| 设备管理 | 硬盘等存储设备的数据 | 识别设备 + 翻译指令，实现 "即插即用" | 翻译员帮不同语言的人沟通协作 |
2.4 如何理解"管理"
OS 的管理逻辑和现实场景(如学校校长管理学生)完全一致。核心分为两步，这也是Linux内核的设计思路：
- 描述被管理对象：用结构体（struct）记录资源信息
- 组织被管理对象：用高效数据结构（链表，红黑树等）组织结构体
- 总结：先描述，再组织(下面的图要结合之前的图一起理解)
2.5 系统调用与库函数概念
OS 不会 "主动干活"，得等别人 "叫它"------ 这俩就是叫它的方式：
- 系统调用：直接 "喊 OS 干活" 的 "原始指令"。比如程序要读硬盘里的文件，就得通过系统调用，让 OS 去操作硬盘。
- 库函数：把系统调用 "打包好的工具"。比如编程语言里的 "读文件函数"，其实是把系统调用裹了一层，让程序员用起来更方便。
- 调用链路 ：应用→库函数→系统调用→OS 内核→硬件
💡简单说：系统调用是 "直接找管家要钥匙"，库函数是 "管家把钥匙装在工具箱里给你"
结合银行管理系统与之前图示结合理解：
🔔思考：大家想想操作系统是怎么进行进程管理的呢？
- 很简单，先把进程描述起来，再把进程组织起来（简洁来说就是：先描述在组织）!!!
结尾：
结语：理解这一逻辑脉络，是后续学习 Linux 进程管理（如进程调度、进程通信、进程状态）的关键前提 ------ 因为所有 Linux 进程的特性和操作，本质上都是操作系统基于冯诺依曼硬件约束，对资源分配和调度机制的具体实现