操作系统基础

操作系统是计算机系统中最核心的软件之一。

它向下管理 CPU、内存、磁盘、输入输出设备等硬件资源，向上为用户和应用程序提供稳定、友好的运行环境。学习操作系统，本质上是在理解计算机如何把有限的硬件资源组织起来，并让多个程序看起来可以同时、稳定、有序地运行。

这篇笔记主要整理：

• 操作系统的作用、特征、功能和分类。
• 进程的组成、状态和进程关系。
• 前驱图、进程资源图、同步与互斥、信号量。
• 死锁、银行家算法和线程。
• 分区存储、页式存储、段式存储和段页式存储。

操作系统概述

操作系统的核心作用可以概括为两点：

• 通过资源管理提高计算机系统效率。
• 改善人机交互，为用户提供友好的工作环境。

没有操作系统时，应用程序需要直接面对硬件。这样不仅开发复杂，也很难保证多个程序之间互不干扰。操作系统把底层硬件抽象成更容易使用的接口，让应用程序可以通过统一方式申请资源、读写文件、创建进程、访问设备。

操作系统的特征

操作系统通常具有四个基本特征。

特征	含义
并发性	多个程序在同一时间段内交替运行，看起来像同时执行
共享性	多个进程可以共同使用系统中的资源
虚拟性	把一个物理资源抽象成多个逻辑资源，例如虚拟内存
不确定性	程序执行顺序和完成时间可能受到调度、资源竞争等因素影响

并发性和共享性是操作系统最基本的两个特征。

如果多个程序可以并发执行，就必然涉及资源共享；而资源共享又会带来同步、互斥、死锁等问题。

操作系统的功能

操作系统主要负责五类管理工作。

功能	说明
进程管理	创建、调度、阻塞、唤醒和终止进程
存储管理	管理内存分配、地址转换和虚拟存储
文件管理	管理文件的创建、删除、读写、目录和权限
设备管理	管理输入输出设备，提高设备利用率
作业管理	管理用户提交的作业，组织作业执行流程

可以简单理解为：操作系统负责让程序能运行、让内存能分配、让文件能保存、让设备能使用。

操作系统的分类

常见操作系统可以按使用场景和设计目标分类。

类型	特点
批处理操作系统	用户提交作业后由系统成批处理，交互性较弱
分时操作系统	多个用户轮流使用 CPU 时间片，强调交互性
实时操作系统	要求在规定时间内快速响应，常用于工业控制等场景
网络操作系统	支持网络通信和网络资源共享
分布式操作系统	多台物理分散的计算机协同工作，对用户表现为统一系统
微机操作系统	面向个人计算机，例如 Windows、macOS、Linux 桌面版
嵌入式操作系统	面向嵌入式设备，强调资源占用小、稳定性高

不同类型的操作系统侧重点不同，但底层都离不开进程、内存、文件和设备管理。

计算机启动流程

计算机启动时，操作系统并不是一开始就在运行。

一个简化的启动流程如下：

启动流程可以理解为：硬件自检后找到引导程序，再由引导程序把操作系统内核加载起来。

BIOS / UEFI
  -> 主引导记录 / 引导加载程序
  -> 加载操作系统内核
  -> 初始化系统服务
  -> 进入用户环境

传统说法中常见的流程是：

BIOS -> 主引导记录 -> 操作系统

BIOS 或 UEFI 负责完成硬件自检，并找到可启动设备。引导加载程序再负责把操作系统内核加载到内存中，最终由操作系统接管整个系统。

进程管理

进程是正在运行的程序实例。

程序本身只是静态文件，只有被加载到内存并开始执行后，才会形成进程。操作系统以进程为单位进行资源分配和管理。

一个进程通常包括：

组成	说明
进程控制块 PCB	进程的唯一标识，保存进程状态、调度信息、资源信息等
程序	描述进程要执行的指令
数据	进程运行过程中需要使用或产生的数据

其中 PCB 是操作系统管理进程的关键。

操作系统并不是直接“记住一个程序”，而是通过 PCB 记录这个进程是谁、处于什么状态、占用了哪些资源、下一步应该如何调度。

进程状态

进程最基础的状态模型是三态模型。

三态模型只关注就绪、运行、等待三个核心状态，挂起状态是在此基础上的扩展。

就绪 -> 运行 -> 等待
 ^       |       |
 |       |       v
 +-------+-------+

更清晰地说：

状态	含义
就绪	进程已经具备运行条件，只差 CPU
运行	进程正在 CPU 上执行
等待	进程正在等待某个事件或资源，例如 I/O 完成

状态转换可以这样理解：

就绪 --调度--> 运行
运行 --时间片到--> 就绪
运行 --等待事件--> 等待
等待 --事件发生--> 就绪

五态模型是在三态模型基础上增加了挂起状态。

状态	含义
活跃就绪	在内存中，等待 CPU 调度
活跃阻塞	在内存中，等待事件发生
静止就绪	被挂起，不在内存中，但已经具备运行条件
静止阻塞	被挂起，不在内存中，同时还在等待事件
运行	正在 CPU 上执行

挂起通常来自人为干预或系统调度策略。进程被挂起后进入静止状态，需要被激活后才能重新回到活跃状态。

前驱图

前驱图用于表示任务之间的先后关系。

它可以说明哪些任务可以并行执行，哪些任务必须等待前置任务完成。

例如：

A、B、C 可以并行执行，D 必须等待它们全部完成，E 再等待 D 完成。

A ─┐
B ─┼──> D ───> E
C ─┘

这个前驱图表示：

• A、B、C 之间没有依赖关系，可以并行执行。
• D 必须等 A、B、C 全部完成后才能执行。
• E 必须等 D 完成后才能执行。

所以前驱图主要确定两件事：

• 任务之间能否并行。
• 任务之间的先后顺序。

进程资源图

进程资源图用于表示进程和资源之间的分配、请求关系。

常见符号：

符号	含义
P	进程
R	资源
资源框中的圆点	该类资源的实例数量
R -> P	资源已经分配给进程
P -> R	进程正在请求资源

例如：

资源指向进程表示已经分配，进程指向资源表示正在请求。若多个进程形成循环等待，就可能出现死锁。

R1 -> P1 -> R2

可以理解为：

• R1 中的某个资源已经分配给 P1。
• P1 还需要请求 R2 才能继续执行。

节点可以分为两类：

类型	含义
阻塞节点	进程请求的资源已经全部分配完，暂时无法获得资源
非阻塞节点	进程请求的资源仍有剩余，可以继续分配

当进程资源图中所有进程都是阻塞节点，并且形成循环等待关系时，系统就可能进入死锁状态。

同步与互斥

同步和互斥都是为了处理并发环境下的进程协作问题，但它们关注点不同。

互斥

互斥指多个进程不能同时访问某个临界资源。

临界资源是一次只允许一个进程访问的资源。例如：

• 打印机。
• 公共变量。
• 某些共享文件。
• 数据库中的某个共享记录。

如果多个进程同时访问临界资源，可能导致数据错误、文件损坏或程序异常。

互斥的目标是：

同一时刻，只允许一个进程进入临界区。

互斥信号量通常只有两个值：

1：资源空闲，可以进入
0：资源被占用，需要等待

可以把互斥信号量想象成门锁。门开着表示可以进入，门锁上表示里面有人，其他人必须等待。

同步

同步指多个进程按照某种顺序协调执行。

它关注的不是“谁不能同时访问”，而是“谁必须先执行，谁必须后执行”。

例如生产者和消费者：

生产者先生产数据
消费者后消费数据

如果没有数据，消费者就应该等待；如果缓冲区满了，生产者也应该等待。

同步信号量可以用来表示某类资源或条件的数量。例如餐厅里的餐桌数量有限，顾客需要先获得餐桌才能吃饭。餐桌数量就是一个同步信号量。

信号量

信号量是一种用于进程同步和互斥的机制。

它通常配合两个操作使用：

• P 操作：申请资源。
• V 操作：释放资源。

P 操作负责申请资源，资源不足时阻塞；V 操作负责释放资源，并在需要时唤醒等待进程。

P 操作

P 操作表示申请资源。

S = S - 1

判断规则：

条件	结果
S >= 0	说明资源可用，进程继续执行
S < 0	说明资源不足，进程进入阻塞队列

也可以这样理解：

先尝试拿走一个资源。
如果拿完后资源数量仍然够用，就继续执行。
如果资源不够，就阻塞等待。

V 操作

V 操作表示释放资源。

S = S + 1

判断规则：

条件	结果
S > 0	没有进程因该资源阻塞，当前进程继续执行
S <= 0	有进程正在等待该资源，需要唤醒一个阻塞进程

也可以这样理解：

释放一个资源。
如果有人在等，就唤醒一个等待进程。
如果没人等，资源数量增加。

死锁

死锁是指多个进程因为竞争资源而互相等待，最终都无法继续执行。

死锁产生通常需要同时满足四个必要条件：

条件	含义
互斥条件	资源一次只能被一个进程使用
请求并保持条件	进程已经占有资源，同时还在请求其他资源
不可剥夺条件	已分配给进程的资源不能被系统强制剥夺
循环等待条件	多个进程之间形成资源等待环

例如：

P1 占有 R1，等待 R2
P2 占有 R2，等待 R1

此时 P1 和 P2 都在等待对方释放资源，系统进入死锁。

银行家算法

银行家算法是一种避免死锁的算法。

它的核心思想是：在分配资源之前，先判断这次分配是否会让系统进入不安全状态。

如果分配后系统仍然安全，就允许分配；如果可能进入不安全状态，就暂时不分配。

它关注几个概念：

概念	含义
Available	当前系统可用资源数量
Max	每个进程最多需要的资源数量
Allocation	已经分配给每个进程的资源数量
Need	每个进程还需要的资源数量

其中：

Need = Max - Allocation

银行家算法并不是等死锁发生后再处理，而是在资源分配前尽量避免系统走向死锁。

线程

传统进程有两个重要属性：

• 进程是拥有资源的独立单位。
• 进程是可独立调度和分配的基本单位。

引入线程后，这两个属性被拆开：

概念	作用
进程	拥有资源的基本单位
线程	独立调度的最小单位

同一进程中的多个线程可以共享进程资源，例如：

• 代码段。
• 全局变量。
• 打开的文件。
• 堆空间。

但线程也有自己的私有数据，例如：

• 程序计数器。
• 寄存器上下文。
• 栈空间。

线程的引入可以减少进程切换开销，提高并发执行效率。

存储管理

存储管理主要解决一个问题：

如何把程序合理地放入内存，并让 CPU 正确访问它。

程序运行时往往不能简单地一次性完整装入内存。操作系统需要负责内存分配、地址转换、内存保护和虚拟存储。

常见存储管理方式包括：

• 分区存储。
• 页式存储。
• 段式存储。
• 段页式存储。

分区存储

分区存储把内存划分成若干区域，每个进程装入一个分区。

常见方式：

方式	特点
固定分区	分区大小固定，实现简单，但容易造成内部碎片
可变分区	分区大小按进程需求动态分配，利用率更高，但容易产生外部碎片

内部碎片指分区内部没有被使用的空间。

外部碎片指空闲空间分散在内存各处，虽然总量够，但无法形成连续空间。

页式存储

页式存储是一种常见的内存管理方式。

它把程序的逻辑地址空间划分为大小相等的页，同时把物理内存划分为大小相等的块。页和块大小相同，常见大小是 4KB。

程序运行时，不需要连续存放在物理内存中。不同页面可以离散地放入不同内存块，再通过页表建立映射关系。

逻辑地址中的页号用于查页表，得到物理块号；页内地址保持不变，和块号拼接成物理地址。

逻辑页 -> 页表 -> 物理块

页式存储的好处是：

• 不要求程序连续存放。
• 减少外部碎片。
• 便于实现虚拟内存。

逻辑地址和物理地址

逻辑地址是程序看到的地址，也可以理解为 CPU 生成的虚拟地址。

物理地址是内存单元在真实物理内存中的地址。

程序访问内存时，并不是直接拿逻辑地址访问物理内存，而是由操作系统和硬件共同完成地址转换。

逻辑地址 -> 地址转换 -> 物理地址

在页式存储中，逻辑地址通常分为：

页号 + 页内地址

页号用于查页表，找到对应的物理块号。

页内地址表示在该页内部的偏移量。

地址转换过程可以简化为：

逻辑地址 = 页号 + 页内地址
页号 -> 查页表 -> 块号
物理地址 = 块号 + 页内地址

页号决定数据在哪个物理块中，页内地址决定数据在这个块中的具体位置。

段式存储

段式存储按照程序的逻辑结构划分内存。

例如：

• 代码段。
• 数据段。
• 栈段。
• 堆段。

段式存储中的逻辑地址通常由两部分组成：

段号 + 段内地址

段式存储更符合程序员对程序结构的理解，但每个段长度不固定，容易产生外部碎片。

段页式存储

段页式存储结合了段式和页式的特点。

它先按逻辑结构分段，再把每个段划分为页。

地址结构可以理解为：

段号 + 页号 + 页内地址

段页式存储的特点：

• 保留段式存储的逻辑结构。
• 利用页式存储减少外部碎片。
• 地址转换过程更复杂。

小结

操作系统基础可以先抓住三条主线：

• 进程管理：解决多个程序如何并发执行。
• 存储管理：解决程序如何装入内存并正确访问。
• 资源管理：解决多个进程如何共享有限资源。

进程、线程、同步、互斥、信号量、死锁和页式存储，是学习操作系统时最重要的一组基础概念。

真正理解这些概念后，再看 Linux、数据库、后端服务、并发编程和容器技术，很多底层问题都会更容易串起来。