操作系统
操作系统基础
（1）操作系统的定义与核心功能
操作系统（OS）是管理计算机硬件与软件资源的核心软件，内核（Kernel）是其核心部分，负责内存、设备、文件、进程等管理，屏蔽硬件复杂性，为应用程序提供统一接口。核心功能包括 6 点：进程 / 线程管理（创建、调度、通信）、存储管理（内存 / 外存分配回收）、文件管理（读写、创建删除）、设备管理（硬件请求处理、设备启动）、网络管理（网络配置、通信、安全）、安全管理（身份认证、访问控制）。
（2）常见操作系统
- Windows：桌面端主流，界面易用，软件生态完善；
- Unix：早期多用户多任务系统，为后续系统提供参考；
- Linux：开源类 Unix 系统，基于 Linux 内核，有多个发行版，适用于服务器场景；
- Mac OS：苹果专属，兼顾编程体验与用户体验，界面和生态优秀。
用户态与内核态
（1）核心定义
- 用户态：进程权限低，仅能访问自身数据，无法直接操作硬件资源，需通过系统调用请求内核服务；
- 内核态：进程权限高，可访问计算机所有资源（内存、设备、驱动等），执行特权指令（如内存分配、IO 处理）。
（2）划分意义
避免危险指令被随意调用，防止应用程序破坏系统稳定性；同时减少资源竞争冲突，提升系统性能和安全性，若仅保留内核态，所有程序共享资源，易导致混乱和安全风险。
（3）切换方式
- 系统调用（主动切换）：用户态进程需执行特权操作时（如读写磁盘），通过系统调用触发 Trap 中断，切换到内核态；
- 中断（被动切换）：外围设备完成操作后（如硬盘读写完成），向 CPU 发送中断信号，触发内核态切换；
- 异常（被动切换）：用户态程序执行时出现不可预知错误（如缺页异常），自动切换到内核态执行异常处理程序。
系统调用
（1）定义与作用
系统调用是应用程序与操作系统内核的交互接口，用户态程序需访问底层资源（如文件、内存、设备）时，通过系统调用向内核发起请求，由内核代为执行特权操作，再将结果返回给应用程序。系统调用按功能分为设备管理、文件管理、进程管理、内存管理等类别。
（2）执行流程
- 用户态程序发起系统调用，触发 Trap 中断；
- CPU 暂停当前用户程序，跳转到内核态的中断处理程序，执行系统调用；
- 系统调用完成后，通过特权指令（如 iret、sysret）切换回用户态，恢复程序上下文并继续执行。
进程与线程
（1）核心定义
- 进程：正在运行的程序实例（如打开的微信），是资源分配的基本单位，拥有独立的内存空间、文件句柄等资源；
- 线程：轻量级进程，是调度执行的基本单位，多个线程共享所属进程的资源（堆、元空间），但拥有独立的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈。
（2）核心区别
- 资源占用：进程资源独立，占用多；线程共享进程资源，占用少；
- 切换开销：进程切换需切换资源上下文，开销大；线程切换仅切换执行上下文，开销小；
- 独立性：进程间独立，互不影响；同一进程内线程可能相互干扰；
- 管理成本：进程管理和保护成本高；线程管理成本低，不利于资源保护。
（3）引入线程的原因
- 降低切换开销：线程切换成本远低于进程，提升系统并发效率；
- 高效利用多核 CPU：多线程可映射到多个 CPU 核心并行执行，提升任务处理速度；
- 优化资源利用率：进程阻塞（如 IO 等待）时，其他线程可继续执行，充分利用 CPU 和 IO 资源；
- 简化通信：同一进程内线程共享资源，通信无需依赖内核，更高效。
（4）线程同步方式
- 互斥锁（Mutex）：保证同一时间仅一个线程访问共享资源（如 Java 的 synchronized、Lock）；
- 读写锁（Read-Write Lock）：允许多线程同时读，仅允许一个线程写，提升读操作并发效率；
- 信号量（Semaphore）：控制同时访问共享资源的最大线程数；
- 屏障（Barrier）：等待所有线程到达指定点后再共同执行（如 Java 的 CyclicBarrier）；
- 事件（Wait/Notify）：通过通知机制实现线程同步，支持优先级控制。
（5）进程核心相关概念
- PCB（进程控制块）：管理进程的数据结构，包含进程描述信息（名称、ID）、调度信息（状态、优先级、阻塞原因）、资源需求（CPU、内存、IO 设备）、文件信息（文件描述符）、处理器状态信息（寄存器、程序计数器）等；
- 进程状态：分为创建态（new）、就绪态（ready，已获资源等待 CPU）、运行态（running，正在 CPU 执行）、阻塞态（waiting，等待事件完成）、结束态（terminated），状态间通过调度、IO 事件、时间片用完等触发切换；
- 进程间通信方式：管道（匿名管道，亲缘进程间）、有名管道（FIFO，任意进程间，先进先出）、信号（通知进程事件发生）、消息队列（内核中的消息链表，支持随机查询）、信号量（进程同步，避免竞争）、共享内存（多进程访问同一块内存，高效）、套接字（网络通信，跨主机进程间）；
- 进程调度算法：FCFS（先到先服务，简单但不利于短进程）、SJF（短作业优先，提升短进程效率）、RR（时间片轮转，公平，适用于分时系统）、优先级调度（按优先级执行，优先级相同按 FCFS）、MFQ（多级反馈队列，兼顾高优先级和短进程，UNIX 采用）；
- 特殊进程：僵尸进程（子进程终止但父进程未调用 wait () 回收 PCB）、孤儿进程（父进程终止，子进程由 init 进程接管回收）。
死锁
（1）定义
多个进程 / 线程同时阻塞，互相等待对方释放所需资源，导致程序无法继续执行，无限期阻塞。
（2）产生的四个必要条件
- 互斥条件：资源一次仅能被一个进程使用；
- 占有并等待：进程占有部分资源，同时等待其他进程的资源；
- 非抢占条件：资源不能被强制抢占，仅能由持有进程主动释放；
- 循环等待条件：多个进程形成资源等待环路（如 A 等 B 的资源，B 等 A 的资源）。
（3）死锁的解决方法
- 预防：破坏四个必要条件之一，常用策略为静态分配（进程执行前申请所有资源，破坏占有并等待）、层次分配（资源分层次，仅能申请更高层次资源，破坏循环等待）；
- 避免：允许必要条件存在，通过算法预判分配资源后是否安全，典型为银行家算法（试探分配资源，判断系统是否处于安全状态，不安全则拒绝分配）；
- 检测：不限制资源分配，定时运行死锁检测程序，通过进程 - 资源分配图判断是否存在死锁（有环路且资源类仅一个资源则死锁，多资源需进一步判断）；
- 解除：检测到死锁后，通过终止所有死锁进程、逐个撤销死锁进程、抢占死锁进程资源等方式恢复系统。