内核、进程和线程---操作系统

操作系统

操作系统位于用户程序和硬件之间，通过系统调用提供接口可以让应用程序去使用硬件，但是硬件资源的管理和安全控制由操作系统负责。

用户空间和内存空间

在计算机系统中，内存可以分为两大区域：内核空间（Kernel Space）和用户空间（User Space）。

• 内核空间，是 操作系统内核代码及其运行时数据结构所在的内存区域，拥有对系统所有资源的完全访问权限，如进程管理、内存管理、文件系统、网络堆栈等。
• ⽤户空间，是 操作系统为应用程序（如用户运行的进程）分配的内存区域，用户空间中的进程不能直接访问硬件或内核数据结构，只能通过系统调用与内核通信。
• 当程序 使⽤⽤户空间 时，我们常说该程序在 ⽤户态 执⾏，⽽当程序 使内核空间 时，程序则在 内核态 执⾏。
• 内核态（Kernel Mode）：在内核态下，CPU可以执行所有的指令和访问所有的硬件资源。这种模式下的操作具有更高的权限，主要用于操作系统内核的运行。
• 用户态（User Mode）：在用户态下，CPU只能执行部分指令集，无法直接访问硬件资源。这种模式下的操作权限较低，主要用于运行用户程序。

进程和线程

进程上下文切换

上下文切换是操作系统在多任务处理环境中，将 CPU 从一个进程切换到另一个进程的过程。

• 保存当前进程的上下文：操作系统保存当前进程的 CPU 寄存器，程序状态等关键信息。
  • 程序计数器（PC）：保存当前指令的地址，比如指向 Fibonacci 计算的下一条指令（假设是 ADD R1, R2）。
  • 栈指针（SP）：记录进程 A 的栈顶位置，可能指向保存局部变量的内存地址。
  • 通用寄存器（R0, R1, R2 等）：比如 R1 保存当前计算的 Fibonacci 值（如 13），R2 保存前一个值（如 8）。
  • 状态寄存器（PSR）：记录 CPU 的状态（如是否溢出、当前特权级别等）。
• 除了寄存器，操作系统还会保存其他关键信息到 PCB
  • 进程 A 的状态（从“运行”变为“就绪”）。
  • 当前使用的内存页表地址（确保恢复时能访问正确的内存）。
  • 打开的文件描述符（如果有）。

进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源

进程调度算法

多个进程竞争 CPU，CPU怎么分配？

进程之间的通信

进程是独立的执行实体，拥有独立的地址空间，因此进程间通信需要通过操作系统提供的机制跨越地址空间的隔离。

常见方式包括：

用户线程和内核线程

• 用户线程：由用户态的线程库（如 POSIX Pthreads 的某些实现）管理，操作系统内核并不直接感知这些线程。
• 内核线程：内核直接管理，拥有独立的线程控制块（TCB），可以被内核调度。
• 用户线程和内核线程的映射：1:1，N:1；N:M。因为多核 CPU现在Linux和Windows采用 1:1 模型。

线程切换

线程切换比进程切换快是因为线程共享同一进程的地址空间和资源，线程切换时只需切换堆栈和程序计数器等少量信息，而不需要切换地址空间，避免了进程切换时需要切换内存映射表等大量资源的开销，从而节省了时间和系统资源 。

线程通信

线程通信—java

死锁四个条件

• 互斥
• 持有并等待
• 不可剥夺
• 环路等待

破除死锁只需要消灭一个条件

银行家算法分配资源

银行家算法的核心思想，就是在分配给进程资源前，首先判断这个进程的安全性，也就是预执行，判断分配后是否产生死锁现象。
就是看 一套流程下来是不是都能满足“剩余需求是不是小于可用资源”。