【Linux杂货铺】操作系统

🌈前言🌈

    欢迎收看本期【Linux杂货铺】，本期内容将讲解计算机中操作系统的概念。其中包括了操作系统是什么，有什么作用，以及用户是如何使用操作系统的。

    本文旨在脱离教材晦涩难懂的理念，从零开始理解操作系统及其周边概念。此外本文是**以Linux系统进行讲解**。

    操作系统是计算机中重要组成部分，是我们学习的重点，也是日后学习进程的必备前置知识。所以如果想要学好进程，必须先了解什么是操作系统，以及计算机中底层结构。

📁 冯诺依曼体系结构

    我们以简单的输入输出代码为例，当我们当键盘中输入数据，如何输出到显示器呢？

    我们从键盘中输入数据，将数据输入到磁盘中，由磁盘将数据送到内存，CPU与内存进行数据的加工和处理，将结果由内存输出到显示器上。

    因此我们知道，数据是要在计算机的体系结构中进行流动，流动过程中，进行数据的加工处理。**从一个设备到另一个设备，本质上是一种拷贝。**

    因此，设备之间的拷贝效率，决定了计算机整机的运行效率。

上图是计算机中存储设备的运行速度示例图。简单理解：寄存器 > 内存 > 硬盘，但价格也是由高到低。

    为什么CPU和硬盘之间要有内存呢？因为CPU的运行速度远远高于硬盘的运行速度。所以当CPU处理完数据后，往往还要等待硬盘就绪，这就导致了整机运行效率降低。

    如果硬盘内部全部采用寄存器的方式，是会大大提高运行效率，但造价会非常昂贵，考虑到普及等问题，就引入了内存的概念，内存与CPU之间的速度差小于硬盘与CPU。

    将硬盘中待处理的数据提前存到内存中，此后，CPU只与内存进行交互，不与外设进行交互，大大提高了整机的运行效率。

    冯诺依曼体系结构对我们计算机发展发挥了重要作用，大大提高了计算机的普及。以上我们就对冯诺依曼体系结构有了一些简单的理解。

📂 拓展问题：程序为什么要被加载到内存？

    在C语言学习过程中，我们的程序是要被加载到内存中才能执行，这是为什么呢？

    这就是因为冯诺依曼体系结构规定了，如果想要被CPU执行必须加载到内存。

    程序在没有被执行之前，是一个二进制文件，存放在硬盘中，想要被CPU执行，需要先调入到内存。

    在数据层面上：1. CPU不和外设直接交互，CPU只和内存交互；2. 外设的数据，不是直接给CPU，而是要先放入到内存中。 

📂 主机与主机的交互

    例如，一台山东的电脑，想要将硬盘的数据发往北京的一台电脑，其中硬上的数据经过本机流动到网卡，经过网络，传送到另一台电脑的网卡，再由网卡将数据流动到硬盘。

    因此，我们日后就要意识到，两台主机的交互，就是两个冯诺依曼体系结构的交互。

📁 操作系统的概念

    我们了解了冯诺依曼体系结构，知道硬盘的数据是要先放到内存的，那么谁去控制硬盘这些底层硬件到内存中呢？就是操作系统。

  **  任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。**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）

    **操作系统的定位就是，进行管理的的关键**。

📂 作用

**    1. 进行软硬件资源管理。**

** 2. 为上层提供良好（稳定，高效，安全）的运行环境。**

📂 理解“管理”

    管理 = 先描述，在组织。

    操作系统使用C语言写出来的，如何去管理底层硬件呢，先描述，在组织。通过结构体struct **将硬件抽象成一个结构体，内部具有相同的属性**，不会因为硬件厂商的不同而改变。

    即厂商根据操作系统写出硬件的驱动程序，操作系统就会**通过驱动程序将硬件信息保存到结构体中**，这样就将底层硬件**描述起来**了。

 **   操作系统在通过链表等一系列数据结构，将结构体组织起来。**

** 这样，操作系统对底层硬件的管理，就变为了对数据结构的增删查改。**

** 通过结构体进行描述，再通过数据结构进行组织，最终演变为对数据结构的增删查改，这就是管理的本质。**

📂 系统调用 和 库函数的概念

    以上，了解了用户通过操作系统去操作底层硬件，操作系统通过结构体描述硬件，通过数据结构将结构体组织起来，来进行管理。

    这里我们必须有一个认知：**用户不能越过操作系统，去操作底层硬件**。

    此外，**用户也不能直接操作 操作系统**，因为操作系统内部有需要重要信息，不能轻易修改。

而是通过调用系统调用接口，也就是提供一些接口函数，供用户使用，通过函数去操作OS。

    但是系统调用接口有部分内容是比较晦涩难以使用，有些人就讲这些接口封装了起来，转为轻松易懂的用户操作接口，供用户使用。

系统调用 和 库函数的区别：

1. 在开发角度，操作系统对外表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层使用，这部分有操作系统提供的接口，叫做系统调用。

2. 系统调用接口，功能较为基础，对用户的要求相对比较高，所以，有心的开发者对部分系统调用进行适度封装，从而形成了库，有了库，这便更有利于上层用户或者开发者进行二次开发。

1. 用户不能越过操作系统，去操作底层硬件。
2. 用户也不能直接访问操作系统，而是通过调用系统调用接口/用户操作接口。
3. 用户操作接口lib是对系统调用接口的封装，旨在将复杂的系统调用使用起来较为简单。若有能力，可以直接使用系统调用。
4. ** 但要注意，使用系统调用直接写出的代码，不具备跨平台性。因为不同操作系统有不同的统调用接口。而lib做了封装，隐藏了系统调用接口的差异**

📁 总结

    以上，我们就对计算机的底层结构——**冯诺依曼体系结构**有了一定理解；了解了什么是操**作系统，即进行管理的软件**；初识了计算机的层状结构，知道了**通过操作系统去操作底层硬件**，**用户不能直接使用硬件，也不能直接访问操作系统**；认知了**系统调用接口和库函数**，库函数就是对系统调用接口的封装。

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