Operating System
简介
- 操作系统（Operating System，简称 OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机的基石。
- 操作系统本质上是一个运行在计算机上的软件程序 ，用于管理计算机硬件和软件资源。 举例：运行在你电脑上的所有应用程序都通过操作系统来调用系统内存以及磁盘等等硬件。
- 操作系统存在屏蔽了硬件层的复杂性。 操作系统就像是硬件使用的负责人，统筹着各种相关事项。
- 操作系统的内核（Kernel）是操作系统的核心部分，它负责系统的内存管理，硬件设备的管理，文件系统的管理以及应用程序的管理。
CPU和kernel的区别
- 操作系统的内核（Kernel）属于操作系统层面，而 CPU 属于硬件。
- CPU 主要提供运算，处理各种指令的能力。内核（Kernel）主要负责系统管理比如内存管理，它屏蔽了对硬件的操作。
系统调用
- 用户态(user mode)：用户态运行的进程或可以直接读取用户程序的数据。
- 系统态(kernel mode)：可以简单的理解系统态运行的进程或程序几乎可以访问计算机的任何资源，不受限制。
- 系统调用：系统调用是用户级程序要求操作系统为它做某些事情的途径。如果您正在编写程序，需要读取某个文件，那么要使用一个系统调用来要求操作系统为您读取那个文件。
进程和线程的区别
进程是资源分配的最小单位，线程（thread）是操作系统（CPU）能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位
进程和线程都是CPU时间段的描述，进程是上下文切换之间程序执行的部分，是运行中程序的描述，也是对应于该段CPU执行时间的描述。进程的颗粒度太大，每次的执行都要进行进程上下文的切换。如果我们把进程比喻为一个运行在电脑上的软件，那么一个软件的执行不可能是一条逻辑执行的，必定有多个分支和多个程序段，就好比要实现程序A，实际分成 a，b，c等多个块组合而成。那么这里具体的执行就可能变成：
- 程序A得到CPU；CPU加载上下文；开始执行程序A的a小段；然后执行A的b小段；然后再执行A的c小段；最后CPU保存A的上下文。
- 这里a，b，c的执行是共享了A进程的上下文，CPU在执行的时候仅仅切换线程的上下文，而没有进行进程上下文切换的。进程的上下文切换的时间开销是远远大于线程上下文时间的开销。这样就让CPU的有效使用率得到提高。这里的a，b，c就是线程，也就是说线程是共享了进程的上下文环境，的更为细小的CPU时间段。线程主要共享的是进程的地址空间。
进程的几种状态
- 创建状态(new) ：进程正在被创建，尚未到就绪状态。
- 就绪状态(ready) ：进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。
- 运行状态(running) ：进程正在处理器上上运行(单核 CPU 下任意时刻只有一个进程处于运行状态)。
- 阻塞状态(waiting) ：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行如等待某资源为可用或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。
- 结束状态(terminated) ：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。
进程的调度算法
- 先到先服务(FCFS)调度算法 : 从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。
- 短作业优先(SJF)的调度算法 : 从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。
- 时间片轮转调度算法 : 时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称 RR(Round robin)调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。
- 多级反馈队列调度算法 ：前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程 。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法，UNIX 操作系统采取的便是这种调度算法。
- 优先级调度 ： 为每个流程分配优先级，首先执行具有最高优先级的进程，依此类推。具有相同优先级的进程以 FCFS 方式执行。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先级。
多进程技术
多线程技术的缺点：在一个进程内，不管你创建了多少线程，它们总是被限定在一颗CPU内，或者多核CPU的一个核内。这意味着，多线程在宏观上是并行的，在微观上则是分时切换串行的，多线程编程无法充分发挥多核计算资源的优势。这也是使用多线程做任务并行处理时，线程数量超过一定数值后，线程越多速度反倒越慢的原因
多进程技术则正好弥补了多线程编程的不足，可以在每一颗CPU上，或者多核CPU的每一个核上启动一个进程，如果有必要，还可以在每个进程内再创建适量的线程，最大限度地使用计算资源解决问题。因为不在同一块内存区域内，和线程相比，进程间的资源共享、通信、同步等，都要麻烦得多，受到的限制也更多。
协程技术(Coroutine):日后再补充
死锁
定义：指两个或两个以上的进程在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。
举例：线程1、2用到了相同的资源，第一个线程用到这个资源想用另一个的时候，结果被另一个线程占用，而且这个线程也在等待之前线程释放锁，这种为了资源互相等待就是死锁
出现的条件：
- 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用
- 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
- 不剥夺条件: 进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
- 循环等待条件: 若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
这四个条件是死锁的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。
死锁的解除和预防：
- 注意如何不让这四个必要条件成立，如何确定资源的合理分配算法，避免进程永久占据系统资源。此外，也要防止进程在处于等待状态的情况下占用资源。因此，对资源的分配要给予合理的规划。
- 最简单的方法就是线程都是以同样的顺序加锁和释放锁，也就是破坏了第四个条件
线程安全
定义：当多个线程访问同一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替运行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获取正确的结果，那这个对象是线程安全的。
同步和异步，阻塞和非阻塞
同步/异步关注的是消息通信机制
阻塞/非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态
知乎上的这个回答解释得很好。
内存管理
内存管理主要是做什么？
操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc：申请内存，free：释放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。
常见的内存管理机制
连续分配管理：
- 块式管理 ： 远古时代的计算机操系统的内存管理方式。将内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空间，我们称之为碎片。
非连续分配管理
- 页式管理：把主存分为大小相等且固定的一页一页的形式，页较小，相对相比于块式管理的划分力度更大，提高了内存利用率，减少了碎片。页式管理通过页表对应逻辑地址和物理地址。
- 段式管理：页式管理虽然提高了内存利用率，但是页式管理其中的页实际并无任何实际意义。 段式管理把主存分为一段段的，每一段的空间又要比一页的空间小很多 。但是，最重要的是段是有实际意义的，每个段定义了一组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、子程序段 X、数据段 D 及栈段 S 等。 段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。
- 段页式管理：段页式管理机制结合了段式管理和页式管理，把主存先分成若干段，每个段又分成若干页
虚拟（逻辑）地址和物理地址
我们编程一般只有可能和逻辑地址打交道，比如在 C 语言中，指针里面存储的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是我们说的逻辑地址，逻辑地址由操作系统决定。物理地址指的是真实物理内存中地址，更具体一点来说就是内存地址寄存器中的地址。物理地址是内存单元真正的地址。
虚拟内存
定义
虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术，我们可以手动设置自己电脑的虚拟内存。不要单纯认为虚拟内存只是使用硬盘空间来扩展内存的技术。虚拟内存的重要意义是它定义了一个连续的虚拟地址空间，并且把内存扩展到硬盘空间。
很多时候我们使用点开了很多占内存的软件，这些软件占用的内存可能已经远远超出了我们电脑本身具有的物理内存。为什么可以这样呢？正是因为通过虚拟内存可以让程序可以拥有超过系统物理内存大小的可用内存空间。另外，虚拟内存为每个进程提供了一个一致的、私有的地址空间，它让每个进程产生了一种自己在独享主存的错觉（每个进程拥有一片连续完整的内存空间）。这样会更加有效地管理内存并减少出错。