前端学习操作系统知识，这篇两万字的文章基本够了

前言

hello，我是成都的小孟兄。

本文尽量避免枯燥的说教，力图通过前端日常工作 + js写的代码，引出学习操作系统的知识点。最后会总结操作系统常见相关的面试问题，最终希望大家都可以在自己的简历上加上一条技能 --- "熟悉并理解操作系统的基本概念，并能用于理解一些常见的前端操作"

为什么要写这篇文章，主要是因为我明年的大目标除了完善自己的react组件库，还有一个目标就是在k8s和devops上有大的突破，其中需要对操作系统知识需要有一些更深入的学习。

实际上，你如果能像本文一样，对操作系统讲的一些基础知识能串在一起，有自己的理解，而不是死记硬背，最终，形成一个基本的知识体系。

这不仅仅对写前端代码运行有帮助，更对你后续学习nodejs（例如服务端对内存管理很敏感，你不了解内存基本分配和回收机制是不太合适的，这又恰恰是前端很缺少的知识，而且市面上很少有结合操作系统的运行机制来解释的文章）。

当然这还对学习devops知识大有裨益，例如我们现在都是容器化部署，大多数都是用docker作为容器运行时，早年docker使用的文件系统叫overlay，会产生inode用尽的问题（简单来说就是文件系统格式化后，inode占用的磁盘空间是确定的，一旦占用完了，就用尽了，也就无法打开别的文件了），这里就涉及到可能对于很多前端同学，尤其是非科班的，inode表这个概念会不太了解，也很难知道这个问题是什么。

废话不多说。开始发车！

从开机开始

首先，我们开机的时候，启动的是操作系统。可是你有没有想过，操作系统也是软件，运行软件都是要把程序装载到内存，才能被cpu调度的。

所以我们要启动操作系统，是需要把启动程序从硬盘读取到内存才可以被cpu执行的。

这里就有问题了:

为什么要把程序代码读到内存才能执行？直接读取硬盘数据执行不行吗？

原因是首先因为磁盘读取速度太慢了，cpu执行速度太快，所以应用程序需要加载到读取速度更快的物理介质中。

然后，你可能会问为什么不把所有程序都装在内存里呢？就不用从磁盘把程序读到内存了啊。这里又涉及到一个知识点，就是数据存储器分为RAM和ROM。 RAM 代表随机存取内存，特点是掉电数据就没了。ROM 代表只读内存，掉电还能保存数据，比如硬盘。

最终，简而言之，通过一系列操作读取到启动操作系统的程序，然后cpu执行这由这个程序帮助我们最终完成开机操作。

额外小知识：更深入的开机流程，有兴趣的同学可以自行搜索，例如什么是MBR启动分区，什么是BIOS等等，这里顺便提一个很有趣的知识点，我们在用电脑的时候，尤其是台式电脑，一般启动的时候会短促有 "嘀"的一声，这是BIOS硬件自检通过的标志（简单理解硬件自检就是，启动电脑，硬盘、内存、cpu等这些硬件是否能正常工作，比如你硬盘都没了，你咋加载操作系统软件呢，更别谈开机了）。

开机后，我们找到自己的前端项目，准备开始今天的任务，一般都是打开代码编辑器，比如vscode，此时vscode将我们的存放代码加载进来，此时又有问题了

我们的代码，也就是文件是如何从硬盘加载到内存？

我要加载文件，按道理来说，我直接去操作系统的磁盘里找到这个文件就行了，可现实却不是这样的。

无论windows还是mac，都是可以多人用自己的账号登录，那么有可能我的文件我并不想让别的用户访问，所以打开文件我们不能直接打开，起码要看看你有没有打开的权限。

所以当我们打开文件的时候首先是去某个目录下寻找该文件，所以我们的目录就应该存储在硬盘里，并且因为目录访问是非常频繁的，一般开机的时候，目录表就已经加载到内存了。

问题又来了？

目录中保存了哪些信息帮助我们去找文件呢？

回答这个问题之前，我们需要先介绍一下保存文件的物理存储设备，磁盘（我们逻辑上的数据块映射到的物理设备就是磁盘，或者更精确的说是磁盘上的扇区）。

首先磁盘是块设备，什么意思呢？就是读取信息的时候并不是一个字节一个字节读取，而是一整块一整块的读取，我们假设每个块大小是512kb。

这里有要引申出一个问题，数据块我们一般都是逻辑上的叫法，真实映射到物理磁盘上，我们称之为扇区，什么是扇区呢？

这里我们不得不来看看磁盘的物理结构了

上面的是黑色部分，分别是磁头和磁臂，然后磁头读取盘面上的信息。然后磁盘上会有扇区划分，如下图：

上面可以看到，一个盘面被划分为多个相等的扇区。然后我们可以给扇区编上号，这样当我们要查找某个文件的时候，操作系统会指名这个文件在几号数据块上，数据块又映射到物理上的扇区上，讲真正的数据提取到内存中供CPU调度。

所以回到上面的问题：目录中保存了哪些信息帮助我们去找文件呢？肯定要包含数据块的信息，比如文件存放到1号数据块里，这样操作系统内部在映射到磁盘扇区上。

我们可以再想想，目录中保存的文件信息，起码要有文件名对吧，我们就是靠文件名去目录表里搜索到底是哪个文件的，当然还有我们之前提到的权限，就是权限信息，例如你有可读，可写，还是可以执行的文件的权限。文件大小，文件路径是不是按道理也需要。

我们在命令行可以输入，ls -l命令，就可以看到目录的详细信息。如下图

简而言之，每条文件信息在目录里，我们称之为FCB，文件控制块（file control block）。在linux中，又被称之为inode表，inode指的是index node，也就是索引节点的意思。

这就回答了上面的问题，就是数据如何从磁盘读取到内存，其实因为磁盘读取速度比较慢，一般磁盘的数据会存储到一个缓存缓冲区里，然后缓冲区再存到内存里，缓冲区对于我们理解node.js中流的使用至关重要，在操作系统中，缓冲区（Buffer）是一种用于临时存储数据的区域，通常用于在两个不同的设备或进程之间进行数据传输。

文件加载进去了，此时，我们前端需要新建一个组件，我们就打开代码编辑器，在里面通过GUI（也就是可视化界面）来创建一个新文件。

此时，又有几个问题来了，首先，你创建新文件其实是需要将新文件创建的基本信息存放到目录表里，还有实际上在磁盘里给这个文件划分使用的扇区，这样就有了物理空间存储数据。但是你怎么知道扇区里那些地方有空闲的磁盘块呢？

如何知道哪里有空闲的磁盘块呢？

其实操作系统会在你格式化的文件系统里，有一部分存储空间专门存储空闲磁盘块有哪些的信息。

例如空间磁盘块的管理方法有一种叫bit map（位图）。

也就是说假如有我们实际上只有4个数据块可以使用，bit map就存储了 0000，这4个比特位，4对应了4个数据块，0代表着目前4个数据块都是没有使用的，1代表使用了。

这样的管理方式有什么缺点呢，就是我们要扫瞄一遍才能知道有哪个空闲块，优点是标识数据块已经有数据和没有数据非常方便，只要改下0或者1就行了。

所以还有一些其他管理方式，比如链表法，把每个空闲块用链表的方式存储起来，这样查找空闲块就很方便，从链表头部就知道哪些是空闲的。这些方法各有优缺点，不同的文件系统选择不同的管理方式。

好了，创建好文件之后，你有没有想过，我们存放的代码文件在内存里是如何存放的呢？

有人会说了，这还不简单，连续存放的呗，比如我有一个js文件，可能比较大，占据数据块1号和2号，存放的时候，直接1号和2号存到物理扇区里。

但是你有没有想过，假如一个文件A占据10个数据块，另一个文件B也占10个数据块，它们是挨着的，如下：

A文件占据的数据块 | B文件占据的数据块 ｜ C文件占据的数据块

那么问题来了，A文件变大了，那么为了给A文件提供更多连续的存储空间，不得不把b，c文件数据块往后移，这就可怕了，数据文件多了，这种文件管理方式的弊端就非常明显了。

但是如果你的文件都是只读的，不能写，其实这种方式也可以。

也就是说，实际上落到磁盘的数据，如果物理上都要求连续存储，其实使用场景是非常有限的，所以我们需要一种非连续分配的方式，我这里直接说一下现代操作系统常用的一种方式吧，就是索引分配

这里可以看到，目录表，一般存放的是这个文件存储的物理块号在哪里，但索引分配是存储了索引表，在索引表上存储里对应物理块号的哪一个。（还有多级索引表，这里不引申了）

它的优点是什么，我们可以进行随机访问，因为存储索引的数据结构在linux的ext4系统里是b树，b树支持随机查找。B树示意图如下（这个不深究了，属于数据结构和算法的内容）。

其实这一部分主要想介绍的就是文件系统，接下来我们用一个完整案例，来把上面的知识串到一起。

首先，磁盘最开始什么都没有，卖磁盘的厂家会先对磁盘进行低级格式化，也就是划分扇区：

然后装操作系统的过程，会对磁盘进行高级格式化，高级格式化主要目的是在磁盘上装载文件系统，同时会安装引导操作系统启动的引导程序。

可以看到，在第一个扇区，存放着主引导记录，主要包含了磁盘引导程序和分区表。分区表不用说了，这个大家能理解，尤其是windows，我们划分为c盘，d盘什么的。磁盘引导程序一个主要作用就是扫描分区，然后执行主分区里引导程序，在windows一下一般都是c盘，linux则是情况而定。如下：

然后执行主分区里的系统初始化程序，完成"开机"等一系列动作。

上图可以看到，c盘里的第二个灰色块是超级块，简单来说就是存放硬盘已用空间、数据块可用空间信息等等，说白了就是描述整个文件系统基本信息的。

c盘里的第三个灰色块，就是空闲块管理信息，比如bit map存储。

c盘里的第五个灰色块，对应下面的目录表，和第四个灰色块对应下方的索引表

然后打开文件 -> 去目录表（索引表或者叫inode表）查这个文件 -> 目录表上有索引信息，然后拿着索引信息去索引表找到真实文件的逻辑地址 ->

去磁盘上找到对应的文件信息 -> 读取到内存等待cpu读取

最后，再提一个关键知识点，在linux系统中，其实所有打开的文件都会有记录在系统的打开文件表里，如下图

每一个进程都维护了一个自己打开哪些文件的表，例如，在node.js中，调用fs模块的open方法，会返回一个文件描述符，如上图最左侧，文件描述是操作文件很关键的一个凭证，其实它在知识进程打开表的一个索引而已。

好了，至此，我们简单了解了文件系统和磁盘。不知道有多少人坚持到这里了，送你一个赞

接着来，我们在写前端页面，也就是输入代码的时候，此时其实是键盘这个I/O设备在一个字符一个字符在输入，这期间

计算机是如何让键盘上输入的字符显示到显示器上的呢？

整个操作系统的目的就是管理硬件资源的， 这里的键盘和显示器都是常见的I/O设备（I/O设备就是能往计算里输入或者输出数据的设备），它们是如何被计算机控制的呢？

这里有个隐藏的小知识点，也就是上面我们谈到磁盘也是I/O设备，而且是块设备，也就读取数据是按数据块来的，而键盘是另一种I/O设备，叫字符设备，它输入数据是按字符来的。cpu其实并不是直接操作I/O设备的，而是通过I/O控制器来控制， 所以这里就有问题了

为什么CPU控制I/O设备要通过I/O控制器呢？

这就需要提到人类第一台计算机埃尼阿克，它也要接入I/O设备来输入数据和输出结果，但它连接的线非常多。

因为每一种I/O设备控制的方法不一样，不得不给每一个I/O设备专门写控制它们的程序。

现在有了I/O控制器，那么

CPU怎么控制I/O设备

最简单的思路就是，轮询，cpu每次过1秒去问I/O设备，有没有数据啊，有的话我就拿。但这有什么问题吗？可以想象，现代的操作系统同时要处理很多任务的，键盘输入频繁，那么是不是CPU要花大量的时间跟键盘耗在一起了，这就没办法处理别的任务了。

所以后面产生另一种CPU控制I/O设备的方式，叫中断。

中断是一个非常非常非常重要的知识点，所以我们需要消息描述一下

为什么需要中断？

这就要谈到一些必须具备的基础概念了。所以先学习下面的概念后，我们回答这个问题

两种指令、两种处理器状态、两种程序

假如说一个用户可以随意把服务器上的所有文件删光，这是很危险的。所以有些指令普通用户是不能使用的，只能是权限较高的用户能使用。此时指令就分为了两种，如下图：

这就引出一个问题：CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？ 如下图:

CPU通常有两种工作模式即：内核态和用户态，而在PSW（这个不用管，就知道有一个寄存器的标志位0表示用户态，1表示核心态）中有一个二进制位控制这两种模式。

对于应用程序而言，有的程序能执行特权指令，有的程序只能执行非特权指令。所以操作系统里的程序又分为两种：

所以说，我们需要一种机制，让用户态的程序能进入内核态执行一些特权指令，这个就是中断其中的一个作用。中断也是用户态到内核态唯一的办法。

回到我们开始讨论的问题，CPU怎么控制I/O设备，我们说轮询的方式很低效，所以产生了中断。

键盘输入字符的时候，会引发外中断，外中断是指外部I/O设备引起的中断。

此时中断发生，cpu就马上回去处理这个中断。虽然比轮询更强，但是频繁中断也是很低效的，假如我们此时正在打游戏，游戏里的队友很坑，你就不停的打字喷他。

此时就会产生大量中断，也就是cpu要控制把你喷的字从i/o设备里放到内存中，然后从内存显示到显示器上。

你发现没，有时候打字到时候游戏就会卡，这是因为中断会陷入内核态，陷入之前需要把当前运行的程序信息保存起来，等回到用户态，再把之前运行程序的程序信息恢复

上面的方式主要适用于字节设备，比如键盘，是按字节为单位进行数据传输的。

对于块设备的数据传输，有一种方式叫DMA，如下图

DMA控制器是如何跟CPU交互的呢，它允许外部设备直接跟内存进行数据传输，而无需CPU的干预。

cpu指明此次要进行的操作，如读操作，并说明要读入多少数据，数据要存放在内存什么位置等等信息。

DMA控制器会根据cpu 提出的要求完成数据的读写工作，整块数据传输完成后，才向CPU发出中断信号。

我们用键盘输入的字符主要是跟后端联调的fetch请求的代码。如下

fetch(url).then( response=>console.log(response))

其实这也牵扯到常见的面试题，就是tcp的三次握手，这次我们从更底层的角度去看，如何通过网卡这个i/o设备去建立tcp连接。

上图左边是主机1，也就是我们前端的电脑，右边是主机2，也就是后端的电脑

我们发起请求的时候，先是我们调用fecth请求，浏览器会调用sokcet系统调用，创建一个套接字，网络套接字你可以理解为申请一片内存空间，用来接收和发送数据

socket系统调用会给用户返回一个fd，也就是文件描述符（指向套接字的一个引用），然后浏览器调用bind函数（操作系统提供的系统调用），用来绑定本机的一个端口，不同的端口意味着不同的应用在提供服务，需要通过端口号来区分不同的应用。

最后浏览器会调用connect函数（也是操作系统提供的系统调用），把fd传进去，例如connect（fd，ip地址等等参数），最后会跟服务器建立连接。

最后浏览器通过write调用（把我们fetch函数里传的数据传输出去）数据存通过write调用传输到网卡上，网卡再传输到网络中去。

我们总结一下用户层软件调用I/O设备的过程

算是把上面关于io设备的知识做一个串联。

如上图，我们简单描述一下浏览器调用io设备（如上图，用户层软件我们假设位是浏览器）的流程，浏览器肯定可以调用网卡这个设备的，因为我们需要http请求跟后端交互。

那么最终浏览器调用的是操作系统提供的write函数，这个write函数就是上图的设备独立性软件提供的，也是操作系统提供的。同时它还负责调用相应的驱动程序。

为什么需要驱动程序呢（如上图第三层），因为网卡是有不同的产品的，比如用A厂家的网卡和B厂家的网卡，可能在一些实现细节上不一样，比如发送数据A厂家调用自己的writeA函数，B厂家叫writeB，所以最终还需要驱动程序来实现真正最后调用硬件的细节代码。

所以为了屏蔽这些差异，外部接入设备一般都要写自己的驱动程序。

这就是一个用户从软件层面再到真实调用物理io设备的流程，当然，我们最终让操作系统完成写网卡这个操作是需要发出中断请求的，从而从用户态进入内核态，让操作系统去完成。相同，当io设备返回数据的时候，比如后端的数据又经过我们的网卡返回的时候，也是需要中断告诉操作系统，此时有数据来了，cpu需要马上安排一下。

好了，到此为止上面简单的介绍了i/o设备的管理，看到这里再给你点个赞

上面一直说，无论是i/o设备还是从磁盘读取的数据，最终都要先到内存，才能被cpu调度。我们先来看一个很直接的案例，到底我们写的前端代码是如何存储在内存的。

例如代码如下：

const global = 100;
function f(x, y) {
    const p = {};
    return;
}
function g(a){
    f(a, a+1);
    return;
}
function main(){
    const i = 100;
    g(100);
    return;
}
main();

在内存里，我们代码存放主要分为

• text：代码段
• data：全局和静态变量数据
• stack：栈用于存放局部变量，函数返回地址
• heap：堆用于程序运行时动态分配内存

如下图：

之前我们写的前端代码要开始运行了，我们的前端代码是存储在text区域的，对于一些静态语言来说，text是2进制的binary code，而对于javascript这种解释性语言，存储的就是我们写的前端js代码，只有在执行的时候才会去解释和编译为2进制的机器码，再执行。

我们从上到下执行之前写的前端代码，首先

const global = 100;
function f(x, y) {
    const p = {};
    return;
}
function g(a){
    f(a, a+1);
    return;
}
function main(){
    const i = 100;
    g(100);
    return;
}

这是全局变量，存放到data区域，f、g和main也是全局函数，所以也会存放在data区域。

然后，开始执行main函数

main();

main函数执行，里面代码就开始执行了,只要执行函数，就会把它的返回地址写入到stack中，这样方便我们执行完毕后，再返回到这个函数向下执行。所以此时stack区域是

然后执行main函数里的内容

function main(){
    const i = 100;
    g(100);
    return;
}

i变量是局部变量，所以存放在stack区域，然后继续执行g(100)，此时stack区域是这样的

然后接着g函数执行，g函数执行后，f函数又开始执行，f函数中声明了一个对象，对象在js语言里是被存放到堆，也就是heap区域，所以此时heap区域就有了数据。此时stack如下图：

每次函数调用的时候，都会把返回地址压入栈（stack）中，那么函数执行完毕，则根据返回地址弹出stack。

可是这里有一个很重要的点，就是局部变量x、y和i瞬间就销毁了，但是在heap区域里的数据不是瞬间销毁的，是需要靠垃圾回收机制销毁。

这就涉及到内存的回收，我们的操作系统如何回收heap里的数据呢？

这里我们延伸一下，看看node.js中的v8引擎是用了什么回收算法（下面主要介绍了分带回收和标记清除算法）。

如何查看V8的内存使用情况

使用process.memoryUsage(),返回如下

{  rss: 4935680,  heapTotal: 1826816,  heapUsed: 650472,  external: 49879}

heapTotal 和 heapUsed 代表V8的内存使用情况。也就是之前我们提到的heap区域的使用情况。

external代表V8管理的，绑定到Javascript的C++对象的内存使用情况。

rss, 其实就是占用的所有物理内存的大小，是给这个进程分配了多少物理内存，也就是我们上面 提到的，这些物理内存中包含堆，栈，和代码段等等。

V8的内存分代和回收算法请简单讲一讲

在V8中，主要将内存分为新生代和老生代两代。新生代中的对象存活时间较短的对象，老生代中的对象存活时间较长，或常驻内存的对象。

新生代

新生代中的对象主要通过Scavenge算法进行垃圾回收。这是一种采用复制的方式实现的垃圾回收算法。它将堆内存一分为二，每一部分空间成为semispace。在这两个semispace空间中，只有一个处于使用中，另一个处于闲置状态。处于使用状态的semispace空间称为From空间，处于闲置状态的空间称为To空间。

• 当开始垃圾回收的时候，会检查From空间中的存活对象，这些存活对象将被复制到To空间中，而非存活对象占用的空间将会被释放。完成复制后，From空间和To空间发生角色对换。
• 因为新生代中对象的生命周期比较短，就比较适合这个算法。
• 当一个对象经过多次复制依然存活，它将会被认为是生命周期较长的对象。这种新生代中生命周期较长的对象随后会被移到老生代中。

老生代

老生代主要采取的是标记清除的垃圾回收算法。与Scavenge复制活着的对象不同，标记清除算法在标记阶段遍历堆中的所有对象，并标记活着的对象，只清理死亡对象。活对象在新生代中只占叫小部分，死对象在老生代中只占较小部分，这是为什么采用标记清除算法的原因。

标记清楚算法的问题

主要问题是每一次进行标记清除回收后，内存空间会出现不连续的状态

• 这种内存碎片会对后续内存分配造成问题，很可能出现需要分配一个大对象的情况，这时所有的碎片空间都无法完成此次分配，就会提前触发垃圾回收，而这次回收是不必要的。

• 为了解决碎片问题，标记整理被提出来。就是在对象被标记死亡后，在整理的过程中，将活着的对象往一端移动，移动完成后，直接清理掉边界外的内存。

到这里，我们了解对前端代码在内存的简单分配和回收有了大致的了解，那么我们现在就要更深入的了解一些关于内存管理的其他知识了。

首先

内存是如何存储数据的呢？

最后，我们要来讲讲进程和线程了，还是拿我们熟知的前端代码，我们上面已经知道前端代码运行时在内存的表现形式，那么cpu内部是如何一条一条取指令来运行的，这里首先就会有一个问题了，就是指令是什么？

指令是什么？

它是指计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。比如著名的x86架构（intel的pc）和ARM架构（手机）的指令集是不同的。

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。一条指令通常包括操作码（OP） + 地址码（A）

• 操作码简单来说就是我要进行什么操作，比如我要实现1+1，加法操作，停机操作等等

• 地址码就是比如实现加法操作的数据地址在哪，通常是内存地址。

cpu是如何去内存取指令，然后一步一步执行的呢？

首先，是取指令的过程如下

• 我们简单描述，就是CPU要知道下一条指令是什么，就必须去存储器（内存）去拿，PC去了存储器的MAR拿要执行的指令地址，MAR（存储器里专门存指令地址的地方）

• 第二步和第三步，MAR去存储体内拿到指令之后，将指令地址放入MDR(存储器里专门存数据的地方)

• 然后MDR里的数据会返回给CPU

• 比如这条指令是计算1+1等于几，CPU会把这个任务交给内部的运算器，计算完毕，指令会告诉你把计算结果放到内存的哪个位置，上面我们知道内存逻辑上是按块存储的，比如告诉我们放到20号内存块，cpu就放过去，这样一条指令执行完毕，cpu就会接着执行程序的下一条指令。

我们接着说内存是如何存储数据的

首先，我们要知道内存也是分块的，我们都知道酒店会有很多房间，房间会有很多编号，其实内存也类似，如下图

然后就是具体存放数据了，一般情况下，大家都会想，当然连续存放呗，例如a程序占据内存块1号，b程序占据内存块2号，依次类推。

这其实是连续存放的思想，连续存放我们在讲磁盘存数据的时候也讲过，连续存放会导致很多严重的问题，例如，a,b,c程序在内存的排放方式如下：

A文件占据的内存块 | B文件占据的内存块 ｜ C文件占据的内存块

此时，如果A程序产生了很多局部变量，也就是要存放到A程序占有内存的stack区域，因为ABC文件占据内存是连续存放的，我们不得不把B和C往后移动。

所以往往会采取分连续分配内存块的算法。分连续分配有分段和分页算法。这里我们简单介绍一下分页算法，分段算法就不多说了，思想是一样的，在linux操作系统中，其实采取的是类似分页的算法，叫buddy算法，buddy的意思是伙伴，好朋友的意思，所以也叫伙伴算法。

分页算法是把内存空间分为一个个大小相等的分区，一般每个分区是4k，我们称之为页框。

同时讲进程的逻辑地址空间也分为与内存页框相等的一个个部分，我们把每个部分称为"页"，如下图

所以我们把进程逻辑上的数据分为一个个4kb的块，在内存上任意地方存放，从而实现数据在内存的非连续存放。

有的同学肯定想，分散后，我咋知道内存上哪些部分是存放进程A数据的呢？所以我们还需要一个表，记录进程上的逻辑块号，跟内存上的块号的映射关系。

其实真实的分页处理要比这个复杂很多，例如linux的伙伴算法，可以有效的减少外部碎片，为了减少内部碎片，还采用了slab分配机制。（更详细内容建议搜索谷歌，不过对我们前端来说不了没啥影响）

这里再简单介绍一个知识点，例如我们的计算机内存是8GB，但是一个大型游戏可能有10GB大，显然，内存是不够大，加上我们的电脑同时还运行着很多别的程序，所以我们的计算机到底是怎么做到呢？

这也是非常非常重要的一个概念，叫虚拟内存

什么是虚拟内存？为什么需要它？

虚拟内存 使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

举个例子，我们玩的游戏假如有10G,但是目前内存只有4G,实际上我们的计算机只会加载部分游戏数据到内存中，因为全部的游戏数据，在我们当前的画面不会全部用到，我们只把用到的加载进来，这叫做局部性原理，它是指处理器在访问某些数据时短时间内存在重复访问，某些数据或者位置访问的概率极大，大多数时间只访问局部的数据。

如果要加载新的页面，例如你玩游戏进入了新的场景，需要加载新的数据，同时也需要把已经在内存的老数据置换出去，就会触发缺页中断，告诉操作系统要置换数据了。

此时涉及到置换算法，这里就有一个很常见的置换算法叫LRU页面置换算法，也算是前端面试很常见的leetcode面试题了。

最后，我们来讲一讲cpu和进程，首先

为什么需要进程

因为我们的计算机是多道程序并发执行（多核cpu可以并行），假如我们现在只有一个cpu，那么为什么我们能同时打开qq聊天，还可以听着网易云音乐呢，这是两个不同的app，我们用起来好像它们就是并行的。

可实际上，微观层面，cpu是并发执行，也就是cpu会有一个时间片，先给qq程序一小段时间使用，然后马上切换到网易云音乐程序，只是快到我们使用者层面觉得是两个程序同时在运行。

这里面就涉及到两个问题？一是cpu时间片如何设计调度算法，比如有很多紧急的任务，我们一般都要先执行紧急的任务，但是如果紧急任务特别多，其他一些不紧急的任务就得不到时间片，就无法执行，这是问题。二是，时间片运行的程序实际上在操作系统层面是以进程为单位调度的，这些进程是如何表示的。

我们先来看第一个问题

CPU调度进程的算法

其实有很多算法，比如先来先服务，短作业优先等等，这些我们都不讲，对于我们前端来说，其实大概知道，cpu执行程序的指令，是以时间片的形式，时间到了，会有外中断（操作系统提供的时钟管理强制打断目前的执行的程序）然后切换为另一个程序执行。

对于我们前端而言，了解进程和线程本身的运行机制，尤其对于后续做nodejs开发尤为重要，到底进程包含了哪些东西。

之前我们知道，一个程序运行的时候在内存实际上包含

• text：代码段
• data：全局和静态变量数据
• stack：栈用于存放局部变量，函数返回地址
• heap：堆用于程序运行时动态分配内存

其实还有一个更重要的东西，叫进程控制块（PCB），为什么需要这么一个东西呢，一个程序运行的标志是有进程正在被调度，当一个程序时间片到了切换到另一个时间片到时候，我们是不是保存上一个程序的状态，比如代码在内存哪些地方，引用的文件有哪些（当前进程打开的文件，回顾文件系统篇的内容），进程状态，pid（进程id）等等信息。

并且实际进程切换的时候，就是PCB的切换，因为有了PCB，进程的所有信息都可以找到。

到此为止，我们知道操作系统调度程序的基本单位是进程。这有什么问题，进程增加的操作系统的并发能力，但是并没有增加单个程序的并发能力，什么意思呢？比如我用qq的时候，是既可以聊天，又可以视频，这是单个程序的并发能力，如何实现呢？

这时，我们的线程就登场了，一个进程有多个线程，这样单个程序也具备并发能力了。如下图：如果只有一个线程就入下图的左侧部分，多线程的话就是下图右侧部分。

我们可以看到，线程共享了代码段，数据，files（当前打开的哪些文件），pcb等信息。

而每个线程单独拥有registers（寄存器空间），stack（栈，放局部变量）

最后，我再简单介绍进程间通信，这里涉及到node.js进程间通信的问题，也是操作系统一个重要知识点，nodejs在 Windows 下用命名管道实现，*nix 系统则采用 Unix Domain Socket实现。

管道

在学习 Linux 命令时，我们经常看到「|」这个竖线。

$ ps aux | grep node

上面命令行里的「|」竖线就是一个管道 ，它的功能是ps aux得到的结果传给grep node，需要注意的是管道传输数据是单向的，如果想相互通信，我们需要创建两个管道才行。

上面的管道没有名字，所以「|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁。

还有一种管道叫命名管道 ，也被叫做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。

匿名管道只能在父子关系的进程中使用，命名管道可以在不相关的进程间使用。我们使用的shell中的管道是匿名管道，使用匿名管道的命令实际上会被shell生成两个子进程。

domain sokcet

跟我们上面介绍的网络socket基本一致。只是本地 socket 在 bind 的时候，不像 TCP 和 UDP 要绑定 IP 地址和端口，而是绑定一个本地文件

好了，全文就说到这里，顺便推广一下我的react组件库教程，如果对你有帮助，感谢star，以下是常见的面试题，有兴趣的同学可以看看。

以下是常见面试题，先列出来，后续更新答案（部分知识点文章没有介绍）

1. 进程、线程和协程的区别是什么

2. 进程间通信是什么

3. 中断和系统调用的区别

4. 进程有哪几种状态，状态之间是如何转换的

5. 进程的调度策略和流程

6. 什么是虚拟内存？什么是共享内存？

7. 有什么常见的页面置换算法

8. 文件系统中文件是如何组织的

9. 磁盘调度算法以及磁盘空间存储管理

10. 内存分配有哪些机制

注：

本文绝大多数资料来源于以下的视频资料

• Linux 操作系统(UP主 Y4NPY)
• 操作系统_清华大学（陈渝）
• 2019 王道考研 操作系统