前言

操作系统（Operating System，OS）是计算机最重要的系统软件，它负责管理计算机硬件资源，并为应用程序提供统一的运行环境。

本文对操作系统核心知识进行系统总结。

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一、什么是操作系统

操作系统本质上是：

管理计算机硬件资源并为用户提供服务的软件。

主要功能：

• 进程管理

• 内存管理

• 文件管理

• 设备管理

常见操作系统：

• Windows

• Linux

• macOS

• Android

• iOS

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二、进程与线程

1. 什么是进程

进程是：

程序的一次执行过程。

例如：

打开微信：

• 微信程序（静态）→ 程序

• 运行中的微信 → 进程

进程拥有：

• 独立地址空间

• 独立资源

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2. 什么是线程

线程是：

CPU调度的最小单位。

一个进程中可以有多个线程。

例如：

浏览器：

• UI线程

• 网络线程

• JS线程

都属于同一个浏览器进程。

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3. 进程与线程区别

项目	进程	线程
资源拥有者	是	否
调度单位	不是最小	是最小
切换开销	大	小
通信	IPC	共享内存

面试回答：

进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位。一个进程可以包含多个线程，同一进程内线程共享地址空间和资源。

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三、并发与并行

并发（Concurrent）

一个CPU：

时间片轮转执行多个任务。

看起来同时执行。

例如：

• 边下载

• 边听音乐

实际上CPU在快速切换。

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并行（Parallel）

多个CPU核心：

真正同时执行。

例如：

四核CPU：

• 核1执行A

• 核2执行B

• 核3执行C

• 核4执行D

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区别

并发：

一个时间段内执行多个任务。

并行：

同一时刻执行多个任务。

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四、进程状态转换

经典五状态模型：

新建态（New）

创建进程。

↓

就绪态（Ready）

获得除CPU之外所有资源。

等待CPU。

↓

运行态（Running）

占有CPU。

↓

阻塞态（Blocked）

等待事件发生：

例如：

• 等待IO

• 等待信号量

↓

终止态（Exit）

执行结束。

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转换关系

就绪 → 运行

CPU调度

运行 → 就绪

时间片用完

运行 → 阻塞

等待资源

阻塞 → 就绪

资源到达

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五、PV操作与信号量

同步互斥题的核心。

P操作

申请资源。

P(S)
{
    S--;
    if(S<0)
        阻塞;
}

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V操作

释放资源。

V(S)
{
    S++;
    if(S<=0)
        唤醒;
}

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互斥

初值：

mutex = 1

进入临界区：

P(mutex)

退出临界区：

V(mutex)

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生产者消费者

经典考试题。

信号量：

empty = n
full = 0
mutex = 1

生产：

P(empty)
P(mutex)

生产

V(mutex)
V(full)

消费：

P(full)
P(mutex)

消费

V(mutex)
V(empty)

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六、死锁

什么是死锁

多个进程互相等待资源。

谁都无法继续执行。

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死锁产生四个必要条件

1. 互斥条件

资源一次只能一个进程使用。

2. 请求保持条件

拿着资源继续申请。

3. 不可剥夺条件

资源不能强行抢走。

4. 循环等待条件

形成资源环。

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记忆口诀

互斥、保持、不剥夺、循环等待

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七、银行家算法

用途：

避免死锁。

核心思想：

只有分配后仍然安全才允许分配。

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安全状态

存在一个安全序列：

P1 → P2 → P3 → P4

则系统安全。

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判断步骤

计算：

Need = Max - Allocation

寻找：

Need <= Available

的进程。

释放资源继续检查。

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八、内存管理

为什么需要内存管理

多个程序同时运行：

QQ
微信
浏览器
IDEA

需要合理划分内存。

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九、分页存储管理

页和页框

逻辑空间：

页(Page)

物理空间：

页框(Frame)

大小相同。

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地址结构

页号P
页内偏移W

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地址转换

通过页表：

页号 → 物理块号

再拼接页内偏移。

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缺页中断

页不在内存：

访问页
↓
缺页
↓
调入内存

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十、分段存储管理

分页：

解决内存利用率问题。

分段：

解决程序逻辑结构问题。

例如：

代码段
数据段
栈段

每段长度不同。

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分页与分段区别

项目	分页	分段
依据	物理	逻辑
大小	固定	可变
地址	页号+偏移	段号+偏移

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十一、虚拟内存

定义：

用磁盘空间扩充内存空间。

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例如：

物理内存：

8GB

程序：

20GB

仍然可以运行。

因为：

内存 + 磁盘

共同组成虚拟内存。

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十二、页面置换算法

当内存已满：

需要淘汰页面。

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FIFO

先进先出。

最早进入先淘汰。

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LRU

最近最久未使用。

面试最爱问。

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OPT

最佳置换算法。

淘汰未来最长时间不用的页。

理论最优。

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缺页率

缺页次数
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访问总次数

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十三、用户态与内核态

用户态

普通程序运行。

权限低。

不能直接操作硬件。

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内核态

操作系统运行。

权限最高。

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切换方式

系统调用：

read()
write()
fork()

异常：

缺页中断

中断：

键盘输入

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十四、malloc底层实现

Linux中：

malloc()

本质依赖：

brk

小块内存：

<128KB

扩展堆区。

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mmap

大块内存：

>=128KB

直接映射。

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十五、Linux五种IO模型

阻塞IO

最简单。

调用后一直等待。

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非阻塞IO

不断轮询。

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IO多路复用

经典：

select
poll
epoll

一个线程监控多个连接。

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信号驱动IO

内核通知。

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异步IO

提交后立即返回。

完成后通知。

性能最好。

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十六、同步与异步

同步：

自己等结果。

异步：

结果好了通知你。

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例子

同步：

打电话

异步：

发短信

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十七、硬链接与软链接

硬链接

多个文件名指向同一个inode。

删除一个不影响数据。

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软链接

类似快捷方式。

保存路径。

目标删除后失效。

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区别

项目	硬链接	软链接
inode	相同	不同
跨分区	不能	能
目录	通常不能	能
目标删除	仍可访问	失效

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十八、操作系统面试高频问题

Q1 进程和线程区别

资源分配与CPU调度。

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Q2 什么是死锁

多个进程循环等待资源。

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Q3 什么是虚拟内存

利用磁盘扩展内存。

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Q4 什么是缺页中断

访问页不在内存触发调页。

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Q5 select、poll、epoll区别

Linux高并发核心问题。

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总结

操作系统核心知识可以归纳为：

进程管理
线程管理
同步互斥
死锁
内存管理
分页分段
虚拟内存
文件系统
设备管理
IO模型

对于考试：

重点掌握：

• PV操作

• 死锁

• 银行家算法

• 地址转换

• 页面置换算法

对于面试：

重点掌握：

• 进程线程

• 虚拟内存

• 用户态内核态

• malloc

• IO模型

• epoll

把这些知识吃透，基本可以覆盖大学操作系统课程、408考研以及绝大多数后端开发面试中的操作系统考点。