linux进程周边知识——内核对硬件的管理—

前言：本节主要讲解内核也就是操作系统对于硬件的管理，本节内容同样为进程的周边知识。主要是关于软件方面，和我的上一篇——冯诺依曼体系结构可以说是兄弟文章，这篇文章主要是关于硬件方面。两篇文章都是为学习进程做准备。但不能说本篇文章内容不重要，本篇文章内容不管是对于理解整个计算机世界，还是接下来理解进程，都有重要的作用。

ps：本节内容适合了解一些冯诺依曼体系的友友进行观看。

操作系统的概念

什么是操作系统的管理

为什么要进行管理

如何进行软硬件管理

库函数

操作系统的概念

内核：内核主要进行进程管理、内存管理、驱动管理、文件管理

其他程序：例如语言库、 shell外壳。

这些合起来叫做宏观的操作系统。（内核加上操作系统配套的软件）

狭义上就是内核。

什么是操作系统的管理

在我们的电脑上，我们应用qq和微信，或者游戏等软件。那么请问， qq或者微信，为什么能够被打开，为什么操作系统要跑qq或者微信。这个是由操作系统控制的。

为了能够更好的使用冯诺依曼结构，更好地统筹里面的硬件，必须要有人对硬件或者软件进行统筹，而操作系统就是跟这个的。

所以，由上面两段论述就可以说——操作系统是一款进行管理的软件！操作系统管理硬件，软件。为什么能够管理软硬件，因为操作系统的下层就是驱动器，是软件，而驱动器的下层就是硬件。所以，操作系统向下管理，本质上就是管理软硬件。

为什么要进行管理

计算机的层状结构，是由上图的层状结构构成的。

最底层的就是上层的底层硬件，这些硬件是根据冯诺依曼体系结构，由总线串连起来的。这些硬件之所以能够被软件去访问，都是因为这些硬件上面有一层驱动器——这些驱动器也是软件。

这些驱动器是和硬件打交道的一些软件。他们能够让硬件动起来，至于如何动，需要让更上层的驱动器提出需求。

所以，那么为什么要有操作系统？

我们可以思考这个问题：如果我们买完笔记本回来没有操作系统，那么就只有一堆硬件，用户根本没有办法使用计算机。

所以第一个理由——操作系统帮助用户管理好下层软硬件资源。

如果一个电脑，经常用着用着就蓝屏，如果这个电脑的信息容易被盗取，或者游戏玩着非常卡。那么很显然，这样的操作系统用户就不愿意用，要知道，计算机是一个工具，他是为了给用户提供服务的。所以，操作系统就是要给用户提供良好的（稳定，高效，安全）的运行环境。

所以，即：操作系统通过管理软硬件资源——手段

为用户提供良好的运行环境——目的（这里的用户可以是普通用户，也可以是程序员）

那么再来考虑另一个问题：操作系统里面会有各种数据，可是，操作系统不相信任何用户！这是因为操作系统为了保证自己的数据安全，为了保证给用户提供服务，操作系统以接口的方式给用户提供调用的入口，来获取操作系统内部的数据。也就是说，如果用户想要获取系统内部的数据，就要使用相关的系统接口访问操作系统内部的数据。

接口是操作系统提供的用c实现的，自己内部的函数调用——系统调用。

所有的访问操作系统的行为，都只能通过系统调用完成！

系统调用可以对用户提供的参数进行审核，又因为系统接口是操作系统内部的接口，所以不存在恶意修改的问题，所以操作系统就在既保证自己安全的情况下，又为上层提供服务，有了这些系统调用接口，就有人在这些系统调用接口上，实现各种各样的软件了。

任何一门语言，在访问底层硬件的时候，都要经过操作系统，都要经过系统调用。

操作系统是世界上少有不变的东西，语言可以变，但是操作系统永远不变。我们把这种基于系统接口之上的开发，叫做系统编程。

如何进行软硬件管理

我们想这么一个例子，就比如在大学中，有校长，有辅导员，有学生。其中，校长就是管理者，学生就是被管理者。辅导员是什么暂且不谈。那么，校长对我们进行管理的时候，需要见到我们吗？我们平时见不到校长，为什么校长还能把我们管理的很好呢？因为校长平时只需要知道我们的个人信息，知道我们有没有犯纪律，知道我们有什么奖项。他就能对我们进行奖惩或者奖励。由此可见——

1、管理者和被管理者是不需要见面的。

2、管理者在不见被管理者的情况下，如何做好的管理呢？ ——只要能够得到被管理者的管理信息，就可以在未来进行决策。 ——管理的本质：是通过对数据的管理，达到对人的管理。

3、那么，管理者和被管理者都不见面，管理者又是如何获得被管理者的数据的呢？

那么我们就要考虑一个问题，既然在大学中，校长是管理者，学生是被管理者。那么辅导员的身份是什么呢？

想一想我们生活中就两件事——决策与执行。比如说我们今天放假，现在你很无聊，就想打一局王者荣耀还是歇一会写作业？你想了想，觉得还是先打一把王者荣耀——这就是做决策，然后做完决策，你就开始打开游戏玩了——这是执行。

那么我们知道校长更偏向于做决策，那么执行是谁来做呢？答案就是辅导员。辅导员不是决策者，他是执行者。

那么就是说，对于校长，学生，辅导员。他们的关系是这样的：

那么对于操作系统，它是主要的决策者。但是硬件那么多，它是如何对某个硬件进行管理的呢？

那么我们还是使用上面的校长的例子进行解释：其实对于校长来说，每一个学生都是类似的。每一个学生都有自己的学号、姓名、性别、班级、家庭住址等等。那么，一般的校长可能会使用excel表格，弄成下面的一个表格：

然后，校长就会让辅导员们以这个表格的形式，去获取学生的信息——其中，校长将学生的属性罗列出来，这个过程，就叫做描述的过程。

但是，今天校长变了一个方法，他不用excel表格了，他自己创建了一个结构体。这个结构体里面定义了学号，性别，班级，住址等等。如下：

那么，原本校长要保存全学校学生的信息需要建立一个excel表格。但是现在就不需要了，校长只需要创建一个学生链表，就可以保存下全校学生的信息。

在上面这个过程中，创建结构体就是描述的过程。

而我们保存学生的信息，保存一个学生的信息，就是创建一个学生的对象。并且使用对应学生的信息初始化这个对象。当我们创建一个又一个对象，比如创建了学生1对象，学生2对象，学生3，4对象。那么我们就可以使用对象里面链表的指针将这些对象串联起来，所以，这些学生对象都会被连接起来，那么校长就能获得一个学生基本信息的链式结构

至此，校长就不需要再使用人工管理excel表格了——只需要管理好链表结构就可以了！

那么，校长就成功地将对学生地管理工作，转化为了对链表的增删查改！

以后校长想要对学生进行什么样的处理，只需要使用相应的链表接口就可以了。比如说想要查找全体学生中分数最高的学生，或者分数最低的学生等等。那么，以上校长将一个个学生对象创建，并且连接成链表，这个过程，就叫做组织！

对于上面的整个逻辑也就是说：对于校长来说，想要获取学生信息，但是每个学生的情况不太一样，很繁杂。所以他就将学生信息描述成了一个个属性，让辅导员去获取每个学生的属性信息。然后绘制成excel表格，但是全校学生很多。人工查找excel很慢，校长就利用属性，创建一个结构体，描述了一个学生。然后将每个学生的信息放到一个结构体对象里面保存起来，并且将这些对象组织起来，成为一个链表。

那么我们回到操作系统，对于操作系统来说，它是由c语言写的，那么操作系统要描述一个对象，它只能使用结构体来描述。

所以在操作系统当中，他管理软硬件资源，一定和上面校长使用的链表管理的思路是一样的——我们把这种思路，叫做先描述，再组织。（在操作系统中，管理任何对象，最终都可以转化为对某种数据结构的增删查改。）

这里有个例子进行辅助理解，是关于c++的，没学过c++的容器的友友可以自行跳过——就是我们在学习c++的时候，是不是先学习c++的类，然后才开始学习的容器。对于c++的类来说，它不是就是c语言的结构体吗？也就是说，它不就是一种描述方式吗。然后容器不就是将类组织的方式吗？所以对于c++来说，类就是描述方式， stl容器就是组织方式。即——c++天然就是让我们先描述，再组织的。

为什么，因为任何一个程序，它或多或少，都要进行一些管理工作。有管理工作，那么就要对数据进行描述，进行组织。不光c++，任何一门语言，他都要提供描述，组织的方式，这是由整个计算机世界所决定的。整个计算机世界，都是围绕上面六个字展开——先描述，再组织（计算机只能这么做，这就是建模的过程）。语言提供相应的方式，我们未来写的程序，永远都会描述数据，然后对数据进行管理。

操作系统是一个管理软硬件资源的软件，他就是建立了底层硬件设备的属性的结构体。然后根据这些属性创建相应的结构体对象。通过管理这些结构体对象，来达到管理硬件的目的。那么就是说，操作系统内部，一定存在了大量的数据结构！！