大学四年我是怎么写操作系统和计算机网络的？掏心掏肺的分享！

最近收到不少读者留言，关于怎么学「操作系统」和「计算机网络」的留言，小林写这一块的内容也有半年多了，啃非常多的书，也看了很多视频，有好的有差的，今天就掏心掏肺地分享给大家。



操作系统和计算机网络有多重要呢？如果没有操作系统，我们的手机和电脑可以说是废铁了，自然它们都没有使用价值了，另外如果没有计算机网络，我们的手机和电脑就是一座「孤岛」了，孤岛的世界很单调，也没有什么色彩，也正是因为计算机网络，才创造出这么丰富多彩的互联网世界。



身为程序员的我们，那更应该深刻理解和掌握它们，虽然我们日常 CURD 的工作中，即使不熟悉它们，也不妨碍我们写代码，但是当出现问题时，没有这些基础知识，你是无厘头的，根本没有思路下手，这时候和别人差距就显现出来了，可以说是程序员之间的分水岭。



事实上，我们工作中会有大量的时间都是在排查和解决问题，编码的时间其实比较少，如果计算机基础学的很扎实，虽然不敢保证我们能 100% 解决，但是至少遇到问题时，我们有一个排查的方向，或者直接就定位到问题所在，然后再一步一步尝试解决，解决了问题，自然就体现了我们自身的实力和价值，职场也会越走越远。



我自己工作中就深刻体会到了它们多重要性，我最近项目就遇到 TCP 比较底层的问题，我们的一个 Web 服务运行久之后，就无法与客户端正常建立连接了，使用 tcpdump 抓包发现 TCP 三次握手过程中，服务端把客户端握手过程中最后 1 个 ack 给丢掉了。



刚开始觉得非常的莫名奇妙，后面想起自己写过一篇 TCP 半连接和全连接队列的文章，就往这个方向排查问题，于是执行 netstat -s 命令查看 TCP error 相关的信息，发现 TCP 全连接队列溢出了，接着再通过 ss -lnt 命令进一步确认，当前 TCP 全连接队列确实超过了 TCP 全连接队列最大值，这个问题就很快定位出来了。





另外，当 TCP 全连接队列溢出后，由于 tcp_abort_on_overflow 内核参数默认为 0，所以服务端会丢掉客户端发过来的 ack，如果你把该参数设置为 1，那现象将变成，服务端会给客户端发送 RST 报文，废弃掉连接。



那要扩大全连接队列也不难，TCP 全连接队列最大值取决于 somaxconn 和 backlog 之间的最小值，也就是 min(somaxconn, backlog)，其中 somaxconn 是内核参数，而 backlog 是我们程序 listen 方法中指定的参数。



上面这个小例子，很明显是无法通过看应用层的代码来解决的，必须了解 TCP 的机制，才能找到解决之道。



铺垫了那么多，接下里进入正题。





计算机网络怎么学？



计算机网络相比操作系统好学非常多，因为计算机网络不抽象，你要想知道网络中的细节，你都可以通过抓包来分析，而且不管是手机、个人电脑和服务器，它们所使用的计算网络协议是一致的。



也就是说，计算机网络不会因为设备的不同而不同，大家都遵循这一套「规则」来相互通信，这套规则就是 TCP/IP 网络模型。





TCP/IP 网络参考模型共有 4 层，其中需要我们熟练掌握的是应用层、传输层和网络层，至于网络接口层（数据链路层和物理层）我们只需要做简单的了解就可以了。



对于应用层，当然重点要熟悉最常见的 HTTP 和 HTTPS，传输层 TCP 和 UDP 都要熟悉，网络层要熟悉 [IPv4](https://mp.weixin.qq.com/s/bUy220-ect00N4gnO0697A)，IPv6 可以做简单点了解。



我觉得学习一个东西，就从我们常见的事情开始着手。



比如， ping 命令可以说在我们判断网络环境的时候，最常使用的了，你可以先把你电脑 ping 你舍友或同事的电脑的过程中发生的事情都搞明白，这样就基本知道一个数据包是怎么转发的了，于是你就知道了网络层、数据链路层和物理层之间是如何工作，如何相互配合的了。



搞明白了 ping 过程，我相信你学起 HTTP 请求过程的时候，会很快就能掌握了，因为网络层以下的工作方式，你在学习 ping 的时候就已经明白了，这时就只需要认真掌握传输层中的 TCP 和应用层中的 HTTP 协议，就能搞明白[访问网页的整个过程](https://mp.weixin.qq.com/s/iSZp41SRmh5b2bXIvzemIw)了，这也是面试常见的题目了，毕竟它能考察你网络知识的全面性。



重中之重的知识就是 TCP 了，TCP 不管是建立连接、断开连接的过程，还是数据传输的过程，都不能放过，针对数据可靠传输的特性，又可以拆解为[超时重新、流量控制、滑动窗口、拥塞控制](https://mp.weixin.qq.com/s/Tc09ovdNacOtnMOMeRc_uA)等等知识点，学完这些只能算对 TCP 有个「感性」的认识，另外我们还得知道 Linux 提供的 [TCP 内核的参数](https://mp.weixin.qq.com/s/fjnChU3MKNc_x-Wk7evLhg)的作用，这样才能从容地应对工作中遇到的问题。



接下来，推荐我看过并觉得不错的计算机网络相关的书籍和视频。



入门系列



此系列针对没有任何计算机基础的朋友，如果已经对计算机轻车熟路的大佬，也不要忽略，不妨看看我推荐的正确吗。



如果你要入门 HTTP，首先最好书籍就是《图解 HTTP》了，作者真的做到完完全全的「图解」，小林的图解功夫还是从这里偷学到不少，书籍不厚，相信优秀的你，几天就可以看完了。





如果要入门 TCP/IP 网络模型，我推荐的是《图解 TCP/IP》，这本书也是以大量的图文来介绍了 TCP/IP 网络模式的每一层，但是这个书籍的顺序不是从「应用层 —> 物理层」，而是从「物理层 -> 应用层」顺序开始讲的，这一点我觉得不太好，这样一上来就把最枯燥的部分讲了，很容易就被劝退了，所以我建议先跳过前面几个章节，先看网络层和传输层的章节，然后再回头看前面的这几个章节。





另外，你想了解网络是怎么传输，那我推荐《网络是怎样连接的》，这本书相对比较全面的把访问一个网页的发生的过程讲解了一遍，其中关于电信等运营商是怎么传输的，这部分你可以跳过，当然你感兴趣也可以看，只是我觉得没必要看。





如果你觉得书籍过于枯燥，你可以结合 B 站《计算机网络微课堂》视频一起学习，这个视频是湖南科技大学老师制作的，PPT 的动图是我见过做的最用心的了，一看就懂的佳作。





B 站视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb?p=1



深入学习系列



看完入门系列，相信你对计算机网络已经有个大体的认识了，接下来我们也不能放慢脚步，快马加鞭，借此机会继续深入学习，因为隐藏在背后的细节还是很多的。



对于 TCP/IP 网络模型深入学习的话，推荐《计算机网络 - 自顶向下方法》，这本书是从我们最熟悉 HTTP 开始说起，一层一层的说到最后物理层的，有种挖地洞的感觉，这样的内容编排顺序相对是比较合理的。





但如果要深入 TCP，前面的这些书还远远不够，赋有计算机网络圣经的之说的《TCP/IP 详解 卷一：协议》这本书，是进一步深入学习的好资料，这本书的作者用各种实验的方式来细说各种协议，但不得不说，这本书真的很枯燥，当时我也啃的很难受，但是它质量是真的很高，这本书我只看了 TCP 部分，其他部分你可以选择性看，但是你一定要过几遍这本书的 TCP 部分，涵盖的内容非常全且细。





要说我看过最好的 TCP 资料，那必定是《The TCP/IP GUIDE》这本书了，目前只有英文版本的，而且有个专门的网址可以白嫖看这本书的内容，图片都是彩色，看起来很舒服很鲜明，小林之前写的 TCP 文章不少案例和图片都是参考这里的，这本书精华部分就是把 TCP 滑动窗口和流量控制说的超级明白，很可惜拥塞控制部分说的不多。





白嫖站点：http://www.tcpipguide.com/free/t_TCPSlidingWindowAcknowledgmentSystemForDataTranspo-6.htm



当然，计算机网络最牛逼的资料，那必定 RFC 文档，它可以称为计算机网络世界的「法规」，也是最新、最权威和最正确的地方了，困惑大家的 TCP 为什么三次握手和四次挥手，其实在 RFC 文档几句话就说明白了。



TCP 协议的 RFC 文档：https://datatracker.ietf.org/doc/rfc1644/



实战系列



在学习书籍资料的时候，不管是 TCP、UDP、ICMP、DNS、HTTP、HTTPS 等协议，最好都可以亲手尝试抓数据报，接着可以用 Wireshark 工具看每一个数据报文的信息，这样你会觉得计算机网络没有想象中那么抽象了，因为它们被你「抓」出来了，并毫无保留地显现在你面前了，于是你就可以肆无忌惮地「扒开」它们，看清它们每一个头信息。



那在这里，我也给你推荐 2 本关于 Wireshark 网络分析的书，这两本书都是同一个作者，书中的案例都是源于作者工作中的实际的案例，作者的文笔相当有趣，看起来堪比小说一样爽，相信你不用一个星期 2 本都能看完了。







操作系统怎么学？



操作系统真的可以说是 Super Man，它为了我们做了非常厉害的事情，以至于我们根本察觉不到，只有通过学习它，我们才能深刻体会到它的精妙之处，甚至会被计算机科学家设计思想所震撼，有些思想实际上也是可以应用于我们工作开发中。



操作系统比较重要的四大模块，分别是内存管理、[进程管理](https://mp.weixin.qq.com/s/YXl6WZVzRKCfxzerJWyfrg)、[文件系统管理](https://mp.weixin.qq.com/s/qJdoXTvXS4ts9YuzMNIw)、[输入输出设备管理](https://mp.weixin.qq.com/s/04BkLtnPBmmx6CtdQPXiRA)。这是我学习操作系统的顺序，也是我推荐给大家的学习顺序，因为内存管理不仅是最重要、最难的模块，也是和其他模块关联性最大的模块，先把它搞定，后续的模块学起来我认为会相对轻松一些。



学习的过程中，你可能会遇到很多「虚拟」的概念，比如虚拟内存、虚拟文件系统，实际上它们的本质上都是一样的，都是向下屏蔽差异，向上提供统一的东西，以方便我们程序员使用。



还有，你也遇到各种各样的调度算法，在这里你可以看到数据结构与算法的魅力，重要的是我们要理解为什么要提出那么多调度算法，你当然可以说是为了更快更有效率，但是因什么问题而因此引入新算法的这个过程，更是我们重点学习的地方。



你也会开始明白进程与线程最大的区别在于上下文切换过程中，线程不用切换虚拟内存，因为同一个进程内的线程都是共享虚拟内存空间的，线程就单这一点不用切换，就相比进程上下文切换的性能开销减少了很多。由于虚拟内存与物理内存的映射关系需要查询页表，页表的查询是很慢的过程，因此会把常用的地址映射关系缓存在 TLB 里的，这样便可以提高页表的查询速度，如果发生了进程切换，那 TLB 缓存的地址映射关系就会失效，缓存失效就意味着命中率降低，于是虚拟地址转为物理地址这一过程就会很慢。



你也开始不会傻傻的认为 read 或 write 之后数据就直接写到硬盘了，更不会觉得多次操作 read 或 write 方法性能会很低，因为你发现操作系统会有个「磁盘高速缓冲区」，它已经帮我们做了缓存的工作，它会预读数据、缓存最近访问的数据，以及使用 I/O 调度算法来合并和排队磁盘调度 I/O，这些都是为了减少操作系统对磁盘的访问频率。



……



还有太多太多了，我在这里就不赘述了，剩下的就交给你们在学习操作系统的途中去探索和发现了。



还有一点需要注意，学操作系统的时候，不要误以为它是在说 Linux 操作系统，这也是我初学的时候犯的一个错误，操作系统是集合大多数操作系统实现的思想，跟实际具体实现的 Linux 操作系统多少都会有点差别，如果要想 Linux 操作系统的具体实现方式，可以选择看 Linux 内核相关的资料，但是在这之前你先掌握了操作系统的基本知识，这样学起来才能事半功倍。



入门系列



对于没学过操作系统的小白，我建议学的时候，不要直接闷头看书。相信我，你不用几分钟就会打退堂鼓，然后就把厚厚的书拿去垫显示器了，从此再无后续，毕竟直接看书太特喵的枯燥了，当然不如用来垫显示器玩游戏来着香。



B 站关于操作系统课程资源很多，我在里面也看了不同老师讲的课程，觉得比较好的入门级课程是《操作系统 - 清华大学》，该课程由清华大学老师向勇和陈渝授课，虽然我们上不了清华大学，但是至少我们可以在网上选择听清华大学的课嘛。课程授课的顺序，就如我前面推荐的学习顺序：「内存管理 -> 进程管理 -> 文件系统管理 -> 输入输出设备管理」。





B 站清华大学操作系统视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1js411b7vg?from=search&seid=2361361014547524697



该清华大学的视频教学搭配的书应该是《现代操作系统》，你可以视频和书籍两者结合一起学，比如看完视频的内存管理，然后就看书上对应的章节，这样相比直接啃书相对会比较好。





清华大学的操作系统视频课讲的比较精炼，涉及到的内容没有那么细，《操作系统 - 哈工大》李治军老师授课的视频课程相对就会比较细节，老师会用 Linux 内核代码的角度带你进一步理解操作系统，也会用生活小例子帮助你理解。





B 站哈工大操作系统视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1d4411v7u7?from=search&seid=2361361014547524697



深入学习系列



《现代操作系统》这本书我感觉缺少比较多细节，说的还是比较笼统，而且书也好无聊。



推荐一个说的更细的操作系统书 —— 《操作系统导论》，这本书不仅告诉你 What，还会告诉你 How，书的内容都是循序渐进，层层递进的，阅读起来还是觉得挺有意思的，这本书的内存管理和并发这两个部分说的很棒，这本书的中文版本我也没找到资源，不过微信读书可以免费看这本书。





当然，少不了这本被称为神书的《深入理解计算机系统》，豆瓣评分高达 9.8 分，这本书严格来说不算操作系统书，它是以程序员视角理解计算机系统，不只是涉及到操作系统，还涉及到了计算机组成、C 语言、汇编语言等知识，是一本综合性比较强的书。





它告诉我们计算机是如何设计和工作的，操作系统有哪些重点，它们的作用又是什么，这本书的目标其实便是要讲清楚原理，但并不会把某个话题挖掘地过于深入，过于细节。看看这本书后，我们就可以对计算机系统各组件的工作方式有了理性的认识。在一定程度上，其实它是在锻炼一种思维方式 —— 计算思维。



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最后





好了，小林本次的分享就到这里了，不知道推荐的书和视频是否和你的「口味」，同时也欢迎你在留言区里分享你是怎么学习它们的，又有什么好书推荐给大家呢？