定义：操作系统对程序执行过程的管理，包括进程的创建、调度、同步与销毁。进程是资源分配的基本单位，线程是 CPU 调度的基本单位。
进程状态机
PCB
调度算法
上下文切换
进程间通信
死锁
线程模型
协程
- 进程状态：新建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 终止（五态模型）
- PCB 进程控制块：保存进程 ID、状态、优先级、寄存器、内存信息、打开文件表等
- 调度算法：FCFS（先来先服务）、SJF（最短作业优先）、RR（时间片轮转）、优先级调度、CFS（Linux 完全公平调度器）
- 上下文切换：保存当前进程寄存器/状态 → 恢复目标进程寄存器/状态，切换开销不可忽视
- 进程间通信 IPC：管道(pipe)、命名管道(FIFO)、消息队列、共享内存、信号量、Socket
- 死锁：四个必要条件——互斥、占有并等待、不可抢占、循环等待；处理策略：预防、避免（银行家算法）、检测与恢复
- 线程模型：内核线程(1:1)、用户线程(N:1)、混合线程(M:N)，Linux 用 clone() 实现
定义：对计算机主存（RAM）的分配、回收、保护与扩充进行管理，使每个进程拥有独立的地址空间。核心思想：虚拟内存让每个进程以为自己独占整个内存。
虚拟内存
分页
分段
TLB
页面置换
地址空间
COW
- 虚拟内存：通过 MMU 将虚拟地址映射到物理地址，每个进程拥有独立的 4GB（32位）或 128TB（64位）虚拟地址空间
- 分页（Paging）：将虚拟地址空间划分为固定大小的页（通常 4KB），页表记录页到物理帧的映射，多级页表节省内存
- TLB 快表：页表的高速缓存，缓存最近使用的虚拟→物理映射，TLB 命中时无需查页表
- 段页式：分段（逻辑单元）+ 分页（固定大小）的组合，兼顾逻辑性和灵活性
- 页面置换算法：OPT（最优）、LRU（最近最少使用）、Clock（时钟算法）、LFU、LFU
- 写时复制 COW：fork() 时父子进程共享物理页，仅在其中一方写入时才复制，极大提高 fork 效率
- 内存分配：伙伴系统（Buddy System）、Slab 分配器（Linux 内核对象）、kmalloc/vmalloc
- 缺页中断：访问的页不在物理内存时触发，由内核从磁盘加载对应页到内存
定义：每个进程看到的独立虚拟内存布局，从低地址到高地址依次排列不同段。核心意义：进程之间内存隔离，一个进程无法直接访问另一个进程的内存。
代码段
数据段
堆
栈
内存映射区
内核空间
- 代码段（Text）：存储编译后的机器指令，只读，可被多进程共享（如共享库）
- 数据段（Data/BSS）：已初始化的全局/静态变量（Data）+ 未初始化的全局/静态变量（BSS）
- 堆（Heap）：从低地址向高地址增长，由程序员通过 malloc/new 申请，free/delete 释放
- 内存映射区（mmap）：用于共享库（.so/.dll）、文件映射、匿名映射等
- 栈（Stack）：从高地址向低地址增长，存储局部变量、函数参数、返回地址，由编译器自动管理
- 内核空间：用户进程不可直接访问，通过系统调用进入，存放内核代码和数据
- 内存布局（Linux x86_64）：0x0000 起代码段 → 堆 → mmap → 栈 → 内核空间（高地址）
定义：操作系统对持久化数据的组织和管理方式，提供统一的文件操作接口。VFS（虚拟文件系统）是内核中的抽象层，屏蔽了底层不同文件系统的差异。
VFS
Inode
超级块
ext4
日志
软硬链接
Buffer Cache
- VFS 虚拟文件系统：定义统一的文件操作接口（open/read/write/close），上层应用无需关心底层是 ext4 还是 XFS
- Inode（索引节点）：存储文件的元数据（权限、大小、时间戳、数据块指针），文件名与 Inode 分离
- 超级块：记录整个文件系统的元信息——块大小、总块数、空闲块数、Inode 数量等
- 目录项缓存 dentry：加速路径名解析，将路径分量映射到对应的 Inode
- 页面缓存 Page Cache：文件数据先缓存到内存页，读写操作直接命中缓存则无需访问磁盘
- 常见文件系统：ext4（Linux）、NTFS（Windows）、APFS（macOS）、ZFS、Btrfs、FAT32
- 软链接 vs 硬链接：软链接是指向文件名的指针（类似快捷方式），硬链接是指向同一个 Inode 的多个目录项
定义：用户程序请求操作系统内核服务的接口，是用户态进入内核态的唯一合法途径。本质：软中断（trap），通过特殊指令触发 CPU 从用户态切换到内核态执行。
用户态/内核态
trap
POSIX
glibc 封装
系统调用号
strace
- 用户态 ⟷ 内核态：CPU 特权级切换，x86 下 Ring 3（用户）↔ Ring 0（内核），ARM 下 EL0 ↔ EL1
- 触发方式：int 0x80（传统）、sysenter/sysexit（快速）、syscall/sysret（现代 64 位），通过系统调用号选择具体服务
- 调用过程：应用 → glibc 封装函数 → 设置系统调用号到寄存器 → syscall 指令 → 内核入口 → 查系统调用表 → 执行 → 返回
- 常见分类：进程控制（fork/exec/wait）、文件操作（open/read/write）、设备操作（ioctl）、IPC（pipe/shmget）、网络（socket）、信息（getpid/stat）
- strace 工具：跟踪进程的所有系统调用，是调试和性能分析的利器
- 系统调用 vs 函数库调用：printf 是库函数（glibc），最终内部调用 write 系统调用；库函数在用户态执行，系统调用进入内核态
定义：CPU 在执行程序过程中，遇到某些事件需要暂停当前执行流，转去处理该事件，处理完毕后再返回。核心作用：实现 CPU 与外部设备的异步交互、错误处理和系统调度。
硬件中断
软件中断
异常/陷阱
中断向量表
中断控制器
上半部/下半部
- 硬件中断（外中断）：由外部设备发起——键盘、网卡、磁盘、时钟中断等，异步发生
- 软件中断（内中断）：由 CPU 执行指令产生——除零错误、缺页、非法指令、系统调用（int 0x80）
- 异常分类：Fault（可恢复故障，如缺页中断 → 重新执行指令）、Trap（陷阱，如系统调用 → 继续执行下条）、Abort（不可恢复，如硬件故障）
- 中断处理流程：设备发信号 → 中断控制器(8259A/APIC) → CPU 响应 → 保存上下文 → 查中断向量表(IDT) → 执行 ISR → 恢复上下文
- 中断上半部/下半部：上半部（硬中断）关中断快速执行关键操作，下半部（软中断/tasklet/工作队列）开中断延迟处理耗时工作
- 时钟中断：操作系统调度的"心跳"，定期触发以进行进程时间片计数、定时器更新、调度决策
定义：对系统中所有 I/O 设备的管理与协调，提供统一的设备访问接口。核心思想：通过驱动程序和设备文件抽象，让所有设备看起来像文件一样操作。
设备驱动
块设备/字符设备
DMA
I/O 模型
Buffer/Cache
/dev
- 设备分类：块设备（按块读写，如磁盘、SSD）和字符设备（按字符读写，如键盘、串口），Linux 下还有网络设备
- 设备驱动：内核与硬件之间的"翻译层"，每个设备类型需要对应驱动，屏蔽硬件差异
- 设备文件：Linux 一切皆文件，/dev/sda（块设备）、/dev/tty（字符设备），通过文件接口操作设备
- I/O 控制方式：程序直接控制（轮询）→ 中断驱动 → DMA（直接内存访问，设备直接读写内存，不经过 CPU）
- I/O 模型（网络编程）：阻塞 I/O、非阻塞 I/O、I/O 多路复用（select/poll/epoll）、信号驱动 I/O、异步 I/O（AIO/io_uring）
- 零拷贝技术：sendfile、mmap+write、splice，减少数据在内核空间与用户空间之间的拷贝次数
定义：协调多个执行单元（进程/线程）之间的执行顺序和数据交换。同步保证正确性（避免竞态条件），通信实现数据传递。
互斥锁
信号量
条件变量
读写锁
自旋锁
RCU
管道
共享内存
- 互斥锁 Mutex：同一时刻只允许一个线程访问共享资源，加锁/解锁必须配对，防止死锁
- 信号量 Semaphore：控制同时访问资源的线程数，计数信号量（>1）和二值信号量（0/1，类似互斥锁）
- 条件变量 Condition Variable：线程等待某个条件成立时挂起，由其他线程通知唤醒，必须配合互斥锁使用
- 自旋锁 Spinlock：忙等待（不释放 CPU），适用于锁持有时间极短的场景，多用于内核态
- 读写锁 RWLock：读共享、写互斥，适合读多写少的场景
- RCU（Read-Copy-Update）：Linux 内核核心同步机制，读者无锁、写者复制修改后替换，极致的读性能
- 共享内存：最快的 IPC 方式，多个进程映射同一块物理内存，需要信号量同步访问
定义：在物理硬件之上抽象出多个虚拟的执行环境。Type-1 虚拟机直接运行在裸机上，容器共享宿主内核但隔离进程视图，虚拟机模拟完整硬件环境。
VM
容器/Docker
Namespaces
Cgroups
KVM
Hypervisor
- Hypervisor：管理虚拟机的软件层，Type-1（VMware ESXi、Xen）直接运行在硬件上，Type-2（VirtualBox）运行在宿主 OS 上
- KVM：基于硬件虚拟化（Intel VT-x / AMD-V）的 Linux 内核模块，将 Linux 变成 Hypervisor
- Namespaces（命名空间）：Linux 容器的隔离基础——PID（进程隔离）、NET（网络隔离）、MNT（文件系统隔离）、UTS（主机名隔离）、IPC、USER（用户隔离）
- Cgroups（控制组）：限制容器可使用的资源——CPU 配额、内存上限、磁盘 I/O 速率、网络带宽
- Docker 本质：Namespaces 做隔离 + Cgroups 做限制 + UnionFS（OverlayFS）做分层文件系统
- VM vs 容器：VM 有独立内核（重、安全、启动慢），容器共享内核（轻量、启动快、但隔离性弱）
定义：操作系统保护自身和用户数据不受未授权访问或破坏的机制。核心模型：通过权限检查、访问控制策略和安全机制来保护系统。
用户/组
rwx 权限
SUID/SGID
SELinux
Capabilities
Sandbox
- 用户与组：UID（root=0）标识用户，GID 标识组，每个进程以某个用户身份运行
- rwx 权限模型：文件所有者(u)、所属组(g)、其他人(o) 各有读(r=4)、写(w=2)、执行(x=1)权限，如 chmod 755
- SUID/SGID/Sticky：SUID 以文件所有者身份执行（如 passwd），SGID 以文件所属组身份执行，Sticky 位防止他人删除自己的文件（/tmp）
- SELinux/AppArmor：MAC（强制访问控制），基于策略的细粒度权限控制，比传统 DAC 更安全
- Capabilities：将 root 权限拆分为细粒度能力（如 CAP_NET_BIND_SERVICE），进程只需获得必要能力而非完整 root
- Sandbox 沙箱：限制进程可访问的资源范围，Chrome 浏览器用沙箱隔离渲染进程