操作系统笔记（1）

一、操作系统引论

1. 操作系统的核心四特征

操作系统是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，其运行的底层逻辑由四大核心特征支撑：

- 并发：宏观上多个程序同时推进，微观上CPU交替执行（和“并行”的物理同时执行有区别），是OS最核心的特征。
- 共享：系统资源（CPU、内存、外设等）被多个并发进程共同使用，分互斥共享（如打印机）和同时共享（如磁盘）两种模式。
- 虚拟：通过技术把物理资源转成多个逻辑资源，比如虚拟内存、虚拟CPU，让用户感觉独占整台机器。
- 异步：进程以“走走停停”的方式执行，执行速度不可预知，但初始条件相同时，最终结果一致。

2. 操作系统的五大核心功能

OS本质是资源管理者，所有功能围绕资源分配与调度展开：

- CPU管理：负责进程/线程调度，分配CPU时间片，实现多任务并发。
- 内存管理：完成内存分配/回收、地址映射、内存保护，扩充虚拟内存，保障多进程内存隔离。
- 设备管理：管理I/O设备驱动、分配、缓冲，用虚拟设备技术提升设备利用率。
- 文件管理：统筹文件存储、检索、共享、权限，管理目录结构与文件系统，实现数据持久化。
- 接口管理：给用户/应用提供命令接口、程序接口（系统调用），屏蔽硬件细节。

3. 操作系统提供的核心服务

OS为上层应用提供标准化服务，降低开发门槛：

- 程序执行：加载、调度、运行用户程序。
- I/O操作：封装硬件细节，提供统一的I/O接口。
- 文件操作：实现文件的创建、读写、删除、权限管理。
- 通信服务：支持进程间通信、网络通信。
- 错误处理：捕获异常、做故障恢复，保障系统稳定。

4. 操作系统的发展历程

从手工操作到现代云原生，OS的演进始终围绕提升资源利用率、优化用户体验展开：
手工操作 → 单道批处理 → 多道批处理 → 分时系统 → 实时系统 → 现代OS（云/虚拟化）

- 单道批处理：一次只运行一个作业，CPU利用率极低。
- 多道批处理：多作业并发执行，大幅提升CPU利用率，但无交互性。
- 分时系统：多个用户分时共享主机，具备交互性、及时性、独占性。
- 实时系统：优先保障响应时间，分硬实时（如工业控制）和软实时（如视频直播）。

5. 操作系统的分类

按应用场景分类

批处理、分时、实时、个人计算机、网络、分布式、嵌入式操作系统。

按内核架构分类

- 宏内核（单内核）：所有功能（文件、内存、驱动等）都在内核态运行，效率高、扩展性差、稳定性弱（如Linux、Windows早期版本）。
- 微内核：仅核心调度、通信功能在内核态，其余服务在用户态，安全性高、扩展性强、效率略低（如QNX、鸿蒙微内核）。
- 分层/模块化内核：按功能分层，结构清晰、模块间依赖少，兼顾效率与可维护性。

6. 内核态与用户态：系统安全的核心屏障

- 内核态（管态）：能执行所有指令，访问所有硬件/内存资源，是OS内核的运行状态。
- 用户态（目态）：仅能执行非特权指令，无法直接访问硬件，是普通应用程序的运行状态。
- 切换触发方式：仅通过中断、异常、系统调用三种方式切换，普通函数调用不会触发态切换。

7. 中断 vs 异常：

特性 中断（Interrupt） 异常（Exception）
来源 外部硬件事件（如键盘输入、I/O完成） 内部程序错误/异常（如除零、缺页）
同步性 异步（和当前执行程序无关） 同步（由当前执行指令触发）
处理逻辑 响应外部事件，不影响原程序正常执行 处理内部错误，可能终止原程序
共同点 都会触发内核态切换，由内核统一处理

8. 系统调用：用户态访问内核的唯一入口

系统调用是用户程序请求内核服务的标准化接口，本质是通过软中断进入内核态，执行内核功能后返回用户态，比如 open() 、 read() 、 write() 都是典型的系统调用。



二、进程与线程：并发执行的核心载体

1. 进程的本质：程序的一次执行

进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配的基本单位，而PCB（进程控制块）是进程的唯一标识，系统通过PCB管理所有进程。

2. 进程的三态模型与状态转换

进程有三个核心状态：就绪态、运行态、阻塞态，状态转换由事件触发，是进程调度的核心逻辑。

进程状态转换示意图进程状态转换图

状态转换规则

- 就绪 → 运行：CPU调度（时间片分配、高优先级进程抢占）
- 运行 → 阻塞：主动等待I/O事件、资源请求（如读磁盘、等待信号量）
- 阻塞 → 就绪：I/O完成、等待的事件到来、资源可用
- 运行 → 就绪：时间片用完、被高优先级进程抢占

补充：完整五态模型还包含创建态、终止态，用于进程的生命周期管理。

3. 进程的核心操作

- 创建：通过fork()等系统调用，分配PCB、分配资源，创建子进程。
- 终止：通过exit()等系统调用，释放资源、销毁PCB。
- 阻塞：进程主动放弃CPU，等待事件触发。
- 唤醒：等待的事件到来时，将阻塞态进程转为就绪态。
- 挂起：将进程移出内存，暂存到外存，释放内存空间。

4. 进程控制块（PCB）

PCB是进程存在的唯一标志，存储进程管理所需的全部信息，核心作用和包含信息如下：

- 作用：作为进程标志，提供进程管理所需信息，实现进程间的调度与切换。
- 核心信息：进程标识符、进程状态、优先级、程序计数器、CPU寄存器、内存管理信息、I/O设备信息、资源清单等。

5. 进程间通信（IPC）

进程运行在独立地址空间，需通过IPC实现数据交换与同步，主要方式：

- 共享存储：多个进程共享一块内存区域，需同步互斥（如共享内存）。
- 消息传递：通过直接/间接通信传递消息，是进程间最常用的通信方式（如管道、消息队列）。
- 管道通信：半双工通信，基于文件的通信方式，分为无名管道（父子进程）和命名管道（无亲缘进程）。

6. 线程：CPU调度的基本单位

线程是进程内的执行单元，是CPU调度的基本单位，共享进程的内存资源，开销远小于进程，可实现更高效的并发。

- 线程与进程的关系：一个进程可包含多个线程，线程共享进程的地址空间、文件描述符等资源，线程切换无需切换进程地址空间，开销更低。