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Author: EclipseYue

docs/CS/operating_system/operating_system.md

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+# 操作系统
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+!!! abstract "课程概述"
+    本笔记涵盖操作系统的核心概念，包括进程管理、内存管理、文件系统等重要内容。
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+## 2. 进程与线程
+
+### 2.1 进程的基本概念
+
+!!! abstract "进程的引入目的"
+    为了实现系统的**并发性**和**共享性**，操作系统引入了进程的概念。
+
+#### 进程的组成
+
+!!! info "进程实体的三个组成部分"
+    1. **PCB（Process Control Block）**：进程控制块
+    2. **程序段**：可执行的程序代码
+    3. **数据段**：程序运行时的相关数据
+    
+    这三部分共同构成**进程实体**，创建进程实质上就是创建PCB。
+
+#### 进程的定义
+
+!!! note "进程的几种典型定义"
+    - **实例定义**：正在执行程序的实例
+    - **加载定义**：程序及其数据从硬盘加载到内存后在CPU上的执行过程
+    - **功能定义**：具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程
+
+!!! important "进程的本质"
+    进程是**进程实体的运行过程**，是系统进行**资源分配和调度**的一个独立单位。
+    
+    这里的"系统资源"主要指**时间资源**（时间片）。
+
+#### 进程的特征
+
+!!! tip "进程的四个基本特征"
+    
+    **1. 动态性（Dynamic）**
+    - 进程是程序的一次执行过程，有创建、执行、消亡的过程
+    - 程序是静态的，进程是动态的
+    
+    **2. 并发性（Concurrency）**
+    - 多个进程可以在同一时间段内执行
+    - 宏观上同时进行，微观上交替执行
+    
+    **3. 独立性（Independence）**
+    - 进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位
+    - 不同进程的工作不会相互干扰
+    
+    **4. 异步性（Asynchronism）**
+    - 各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
+    - 操作系统必须提供"进程同步机制"来解决异步问题
+
+### 2.2 进程状态与转换
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+![进程状态转换图](https://eclipseyue-1323281044.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/pic/processState.png)
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+!!! info "进程的基本状态"
+    
+    **运行态（Running）**
+    - 进程正在CPU上执行
+    - 单核系统中，同一时刻只有一个进程处于运行态
+    
+    **就绪态（Ready）**
+    - 进程已获得除CPU外的所有必需资源
+    - 等待分配CPU时间片
+    
+    **阻塞态（Blocked/Waiting）**
+    - 进程因等待某个事件而暂停执行
+    - 即使给它CPU也无法运行
+
+!!! tip "状态转换条件"
+    - **就绪 → 运行**：获得CPU时间片
+    - **运行 → 就绪**：时间片用完
+    - **运行 → 阻塞**：等待I/O或其他事件
+    - **阻塞 → 就绪**：等待的事件发生
+
+### 2.3 进程控制块（PCB）
+
+!!! abstract "PCB的重要作用"
+    PCB是操作系统用于管理和控制进程的数据结构，包含了进程的所有相关信息。
+
+**PCB的主要内容：**
+- **进程标识信息**：PID、用户ID等
+- **处理机状态信息**：寄存器值、程序计数器等
+- **进程调度信息**：进程状态、优先级等
+- **进程控制信息**：程序入口地址、资源清单等
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+### 2.4 信号机制
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+!!! abstract "信号的概念"
+    信号是Unix/Linux系统中进程间通信的一种方式，用于通知进程发生了某个事件。
+
+#### 信号的特点
+
+!!! note "信号处理特点"
+    - **pending**：信号已产生但尚未被处理
+    - **blocked**：信号被暂时阻塞，不会立即处理
+    - **优先级**：程序号小的信号优先级高
+    - **信号丢弃**：同类型的后续信号可能被丢弃
+
+#### 信号相关系统调用
+
+!!! example "kill系统调用"
+    ```c
+    int kill(pid_t pid, int sig);
+    ```
+    - 向指定进程发送信号
+    - pid：目标进程ID
+    - sig：信号编号
+
+!!! tip "信号处理时机"
+    - **内核态转用户态**时会检查是否有待处理信号
+    - 信号可以作为**异常处理的配套机制**
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+#### 常见信号类型
+
+参考CSAPP和man pages中的信号表，了解各种信号的含义和用途。
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+### 2.5 线程的引入
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+!!! abstract "为什么引入线程"
+    为了在进程内部实现更细粒度的并发，提高系统的并发性能。
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+#### 进程与线程的关系
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+!!! important "资源分配与调度的分离"
+    - **进程**：资源分配的基本单位
+    - **线程**：CPU调度的基本单位
+    - **线程并发**：在同一进程内实现多线程并发执行
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+#### 线程的优势
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+!!! tip "线程的特点"
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+    **1. 切换开销小**
+    - 线程切换不需要CPU状态切换
+    - 同一进程内的线程共享地址空间
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+    **2. 资源共享**
+    - 同一进程内的线程共享内存、文件等资源
+    - 通信更加便捷
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+    **3. 创建销毁快**
+    - 线程的创建和销毁比进程更快
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+#### 线程的分类
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+!!! note "用户级线程 vs 内核级线程"
+    
+    **用户级线程（User-level Thread）**
+    - 由用户程序负责管理，而非操作系统
+    - 操作系统感知不到用户级线程的存在
+    - 切换速度快，但无法充分利用多核
+    
+    **内核级线程（Kernel-level Thread）**
+    - 由操作系统内核直接管理
+    - 可以充分利用多核处理器
+    - 切换开销相对较大
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+!!! warning "用户级线程的限制"
+    - 一个用户级线程阻塞会导致整个进程阻塞
+    - 无法在多核系统上并行执行
+    - 调度完全依赖于用户程序的实现
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