大学四年,我这样学操作系统和计算机网络,毕业后成为了别人眼中的大神(附电子书下载)

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。

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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。

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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,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。

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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。

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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。

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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。

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B 站视频地址:bilibili.com/video/BV1c

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。

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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。

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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。

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白嫖站点:tcpipguide.com/free/t_T

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:datatracker.ietf.org/do

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。

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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文件系统管理输入输出设备管理。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」。

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B 站清华大学操作系统视频地址:bilibili.com/video/BV1j

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。

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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。

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B 站哈工大操作系统视频地址:bilibili.com/video/BV1d

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。

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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。

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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。


文中推荐的书,小林都已经把电子书整理好给大家了,可以直接下载,如果链接失效,欢迎留言,看到第一时间更新。

链接: pan.baidu.com/s/1zw_Eum 密码: uadf

作者:小林
原文链接:小林coding: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!
原文链接:mp.weixin.qq.com/s/yopn

原文始发于:大学四年,我这样学操作系统和计算机网络,毕业后成为了别人眼中的大神(附电子书下载)

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