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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

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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

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。

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：

1. 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”。
2. 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”。
3. 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
4. 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

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”

🔔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）!!!