第一章

1.1操作系统是系统资源的管理者

操作系统 本质上是对硬件机器的扩展 将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。

1.2操作系统的四个特征

并发、共享、虚拟、异步

并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上同时发生，微观上交替发生。

并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生。

共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

虚拟：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。

异步：在多道程序环境中，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，已不可预知的速度向前推进。

1.3操作系统的发展与分类

手工操作阶段；批处理阶段（单批处理；多批处理）；分时操作系统；实时操作系统

1.4操作系统的运行机制

CPU状态：内核态和用户态

处于内核态，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令

处于用户态，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

内核态切换到用户态：执行一条特权指令--修改PSW的标志位为“用户态”、

用户态切换到内核态：由中断引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU使用权。

1.5中断和异常

中断的类型

内中断（异常、例外）：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

内中断触发场景：

（1）若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号

（2）应用程序想请求操作系统内核服务，执行陷入指令，引发中断信号

外中断（中断）：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

外中断触发场景：

1. 时钟中断，由外部时钟部件发来的中断信号
2. I/O终端，由输入/输出设备发来的中断信号

内中断分类：陷入（请求内核服务）、故障（缺页处理）、终止（程序bug）

外中断分类：时钟中断、I/O中断请求

中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。（中断向量表实现）

1.6系统调用

系统调用：操作系统提供给用户程序调用内核功能的接口。

系统调用过程

传递系统调用参数->执行陷入指令（用户态）->由操作系统内核程序处理系统调用请求 ->返回应用程序

陷入指令（trap）

陷入指令允许用户程序‌主动请求操作系统内核服务‌（如文件读写、进程创建等），或在发生‌不可恢复错误‌（如除零、非法指令）时将控制权交还给操作系统。

1.7操作系统体系结构

分为大内核和微内核。微内核只包括时钟管理、中断处理、原语。

附：Windows/Linux进程与线程本质区别

进程：资源分配单位（内存、地址空间、文件句柄、权限）。

线程：CPU调度执行单位（时间片、寄存器、栈）一个进程至少一个主线程，线程共享所属进程全部资源。

底层本质差异

1、地址空间

进程：独立虚拟地址空间，A进程看不到B进程，互相隔离。

线程：共享同一个进程地址空间，同进程线程读写同一块内存。

2、资源拥有

进程独有：虚拟内存页表、PID、进程 PCB、打开文件描述符、信号处理、用户权限

线程独有：线程栈、寄存器集合、线程 TCB、线程 ID

线程不拥有内存资源，只借用进程资源运行

3、切换开销

进程切换：切换页表、刷新TLB、切换地址空间 开销极大

线程切换：只切换寄存器、栈指针、不换页表 开销极小

4、健壮性

一个进程崩溃：只自己死，不影响其他进程

一个线程崩溃：整个进程一起崩溃（共用地址空间）

5、通信方式

进程间IPC：管道、消息队列、共享内存、socket ，复杂低效

线程间通信：直接读写全局变量，简单高效，但要加锁同步

Windows 与 Linux 线程模型差异

Linux

1、内核线程+用户线程两层模型

2、线程本质就是特殊进程，内核不区分进程/线程

3、同进程多线程：共享PID

4、调度粒度统一，内核直接调度线程

Windows

1、严格区分进程对象和线程对象，内核天生线程调度

2、进程负责资源、线程负责执行

3、线程优先级严格分级，调度比Linux更偏向抢占实时

面试总结

1、进程是资源分配最小单位，线程是CPU调度最小单位

2、进程地址空间独立，线程共享进程地址空间

3、进程切换开销远大于线程切换

4、Linux线程用轻量级进程实现，Windows内核原生支持线程

进程虚拟地址空间 + 栈溢出 + 堆内存管理

进程虚拟地址空间（32位/64位 标准布局）

要点：每个进程有独立虚拟地址空间，隔离互不干扰；物理内存由MMU+页表映射

经典32位进程地址空间排布（从上到下）

各区关键特性

1. 代码段.text 只读、共享、不可写 存放程序机器指令
2. 数据段/bss 全局变量、static静态变量 bss不占用磁盘文件，运行时清零分配
3. 堆Heap 手动管理：malloc/free new/delete 向上扩张，自由申请释放，碎片多
4. 栈Stack 系统自动管理，函数调用自动分配回收 容量极小、速度极快
5. 内核空间 权限最高，用户态无法直接访问

栈详解&栈溢出

栈特点：内存连续，自动分配自动释放；生长方向：从高地址到低地址；

栈溢出原因：数组越界；缓冲区拷贝不限制长度；超大局部数组

堆内存管理

堆核心特点：空间大、生命周期手动控制；生长方向：低地址到高地址；不连续碎片化，分配速度慢于栈

全局变量在数据段 /bss，局部变量在栈，动态对象在堆。

学习参考：王道操作系统