操作系统学习笔记

用户态和内核态的理解

在操作系统中，用户态（User Mode） 和内核态（Kernel Mode） 是处理器的两种运行状态，其核心作用是通过权限隔离来保护系统的稳定性和安全性。

线程和进程的区别是什么？ 

• 进程（Process）
  是操作系统资源分配的基本单位，是一个正在运行的程序实例。每个进程拥有独立的内存空间、文件描述符、寄存器状态等系统资源，是一个独立的执行环境。
  例如：打开一个浏览器窗口，就是启动了一个进程；再打开一个终端，又启动了另一个独立进程。

• 线程（Thread）
  是进程内的执行单元，也是操作系统调度的基本单位（CPU 调度的最小单位）。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的内存空间和资源，但拥有各自独立的程序计数器、栈空间和寄存器状态。
  例如：浏览器进程中，可能有一个线程负责渲染页面，一个线程负责处理用户输入，一个线程负责下载文件。

进程分配的资源一般是虚拟内存、文件句柄、信号量等资源。

线程切换详细过程是怎么样的？上下文保存在哪里？

线程切换本质是 “保存 - 恢复” 的循环，具体分为 5 个核心步骤：

1. 触发切换信号

当上述条件满足时，CPU 会收到切换信号（如时钟中断、I/O 中断或系统调用），从用户态切换到内核态（因为线程调度是内核功能）。

2. 保存当前线程的上下文（Context Saving）

内核需要将当前线程的执行状态完整保存，以便后续恢复时能无缝继续执行。需要保存的上下文包括：

• 通用寄存器：如 eax、ebx 等（存储线程执行中的临时数据）。
• 程序计数器（PC）：记录下一条要执行的指令地址（恢复时从这里继续）。
• 栈指针（SP）：指向当前线程栈的顶部（用户栈或内核栈，取决于切换时的状态）。
• 状态寄存器：如标志位寄存器（记录 CPU 状态，如进位、零标志等）。
• 线程私有数据：如 errno（错误码）、线程局部存储（TLS）的指针等。

这些数据会被写入当前线程的线程控制块（TCB，Thread Control Block） 中。

3. 更新线程状态

内核将当前线程的状态从 “运行中（Running）” 修改为其他状态（如 “就绪（Ready）”“阻塞（Blocked）”），并将其移入对应队列（如就绪队列、阻塞队列）。

4. 选择下一个待执行的线程（调度器工作）

内核调度器根据调度算法（如时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列等），从就绪队列中选择一个线程作为下一个执行目标。

5. 恢复目标线程的上下文（Context Restoring）

从目标线程的 TCB 中，将之前保存的上下文数据加载回 CPU 寄存器：

• 恢复程序计数器（PC）→ CPU 知道从哪条指令开始执行。
• 恢复栈指针（SP）→ 线程能正确访问自己的栈。
• 恢复其他寄存器和状态 → 线程执行环境完全还原。

6. 切换回用户态，继续执行

内核完成上下文恢复后，从内核态切换回用户态，CPU 开始执行目标线程的指令。

上下文信息的保存通常由操作系统负责管理，具体保存在哪里取决于操作系统的实现方式。一般情况下，上下文信息会保存在线程的控制块（Thread Control Block，TCB）中。

TCB是操作系统用于管理线程的数据结构，包含了线程的状态、寄存器的值、堆栈信息等。当发生线程切换时，操作系统会通过切换TCB来保存和恢复线程的上下文信息。

进程的状态（五种状态），如何切换？

进程间通讯有哪些方式？

进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）是操作系统提供的让不同进程交换数据、协调工作的机制。由于进程间内存空间相互隔离，必须通过内核提供的特殊接口实现通信。常见的 IPC 方式按功能和场景可分为以下几类：

一、管道（Pipes）

适用于父子进程或亲缘关系进程间的单向通信，是最基础的 IPC 方式。

• 匿名管道（Anonymous Pipe）

  • 特点：半双工（单向传输），无名字，仅存在于内存中，随进程结束而销毁。
  • 实现：通过pipe()系统调用创建，返回两个文件描述符（读端、写端），数据从写端流入，读端流出。
  • 场景：命令行管道（如ls | grep "txt"）、父子进程间数据传递。

• 命名管道（Named Pipe/FIFO）

  • 特点：全双工（可双向传输），有文件名（存在于文件系统中），允许无亲缘关系的进程通信。
  • 实现：通过mkfifo()创建管道文件，进程通过open()打开后像普通文件一样读写。
  • 场景：不同程序间的简单数据交换（如客户端与服务器间的消息传递）。

二、信号（Signals）

用于进程间传递异步事件通知，是一种简单的 “事件触发” 机制。

• 特点：轻量但功能有限，只能传递信号编号（如SIGINT表示中断，SIGKILL表示强制终止），无法携带大量数据。
• 常用信号：SIGTERM（请求终止）、SIGALRM（定时器到期）、SIGCHLD（子进程状态变化）等。
• 场景：进程异常处理（如 Ctrl+C 触发SIGINT终止程序）、后台任务状态通知。

三、共享内存（Shared Memory）

允许多个进程直接访问同一块内存区域，是效率最高的 IPC 方式。

• 特点：数据无需复制（直接读写内存），速度极快；但需配合同步机制（如信号量）防止冲突。
• 实现：
  1. 进程通过shmget()创建或获取共享内存段。
  2. 通过shmat()将共享内存映射到自身地址空间。
  3. 直接读写该内存区域，完成后用shmdt()解除映射。
• 场景：高频、大数据量通信（如数据库进程间数据共享、视频处理程序）。

四、信号量（Semaphores）

并非用于传递数据，而是实现进程间的同步与互斥（防止多个进程同时操作共享资源）。

• 特点：本质是一个计数器，通过P操作（wait，减1）和V操作（post，加1）控制资源访问。当计数器为 0 时，进程阻塞等待。
• 类型：
  • 二值信号量（0 或 1，用于互斥，如 “锁”）。
  • 计数信号量（允许 N 个进程同时访问资源）。
• 场景：配合共享内存使用（防止同时写入）、控制进程执行顺序（如 “生产者 - 消费者” 模型）。

五、消息队列（Message Queues）

允许进程发送格式化消息（带类型和数据），是有结构的、异步的通信方式。

• 特点：消息按队列排序，进程可按类型读取；数据存在内核中，即使发送方退出，消息仍可保留。
• 实现：通过msgget()创建队列，msgsnd()发送消息，msgrcv()接收消息（可指定消息类型）。
• 场景：需要按类型处理消息的场景（如服务器区分不同客户端的请求）。

六、套接字（Sockets）

适用于跨网络或同一主机上的进程通信，是网络编程的基础。

• 特点：支持不同主机的进程通信（通过 IP + 端口），也可用于本地进程（通过AF_UNIX域套接字，效率高于网络套接字）。
• 类型：流式套接字（TCP，可靠连接）、数据报套接字（UDP，无连接）。
• 场景：网络应用（如浏览器与服务器通信）、本地进程间复杂通信（如桌面应用与后台服务）。

七、其他方式

• 文件（Files）：进程通过读写同一文件交换数据，简单但效率低（依赖磁盘 I/O），适用于低频、大数据量场景。
• 信号量集（Semaphore Sets）：一组信号量的集合，可原子操作多个信号量，简化复杂同步逻辑。
• 共享文件映射（Memory-Mapped Files）：将文件映射到进程内存，通过内存操作实现通信，兼顾持久性和效率。

总结：不同场景的选择建议

实际开发中，常组合多种方式（如共享内存 + 信号量保证同步，套接字 + 消息队列处理网络消息）以满足复杂需求。