一、硬件支持系統 ，系統管理硬件

• 操作系統核心功能可以分為：
  • 守護者：對硬件和軟件資源的管理
  • 協調者：通過機制，將各種各樣的硬件資源適配給軟件使用。
• 所以為了更好的管理硬件，操作系統引進了軟件。其中3大核心部分是：
  • 文件【我們需要知道怎么用文件來訪問磁盤和I/O設備】
  • 虛擬內存【虛擬內存是虛擬的，為應用程序提供遠大于物理內存限制的虛擬地址空間。】
  • 進程【真正用來訪問資源的部分】
    

二、進程（process）

1、理解

進程就是一個正在執行的程序實例。

進程的結構

• 每個進程里都有一個獨立的地址空間。
  • 這個空間一開始是0 ，不斷的運行，就成了連續的存儲空間。在這個空間，不僅程序能運行起來，還能調用各種數據，等等。
• 每個進程都有相關的資源
  • 這些資源有PS ， PC寄存器等等。

簡而言之：進程就是一個被封裝的容器，它有運行資源的一切信息。

• 如果 我開了QQ，又開了微信。那我的進程就有2個，它要如何合理地獲得CPU資源？

  • 操作系統通過時間片輪轉等調度策略，周期性地掛起一個進程并啟動另一個，確保所有進程都能公平地獲得CPU資源。
  • 當進程被暫時掛起，就必須保存狀態了。以便未來某個時候可以繼續使用。狀態下的信息【比如寄存器，地址空間，上下文等等】都會被存儲在進程表中。
    • 進程表用于跟蹤系統中所有進程的狀態信息。

• shell和進程

  • 用戶可以使用shell來控制進程。讓一個進程產生更多進程（這些由進程產生的進程就是子進程）【可能有些抽象，可以這樣理解，如下：】。
    • 
    • 我在shell使用ls 命令，這個命令展現了當前路徑有的文件件。我本來是在運行shell的linux環境虛擬機【當前一個主進程】，我想看文件夾，我為了看文件夾，使用了ls命令，在執行這個ls命令的過程就是子進程。
  • 所以進程就有樹的樣子了-----進程樹。
  • 

• 進程該如何通信？

  • 當進程間協同工作完后，使用機制來交換信息，也就是進程間通信（IPC） 機制。
  • 除了進程間通信（IPC）外，操作系統還使用一系列的系統調用來管理進程資源。

• 進程接收信息，如果信息經常不能準時到達？

  • 為了確保可靠傳輸，進程會采用定時器。【這種行為也就是異步】
    • 比如：進程在外部信息發送出去的第4秒還沒有接收到。就發一個通知提醒，就可能重新發送了。

異步行為【分為軟件異步、硬件異步】：
異步行為是指任務可以并發執行，不需要等待前一個任務完成。異步操作不會阻塞當前線程，任務完成后通過回調、Promise 或事件通知。

• 那么事件1發生什么事情？
  • 事件1作用：保護現場。
  • 保護的內容有
    • PC值----由CPU保護
    • PSW寄存器—操作系統軟件保護
    • 基礎寄存器—操作系統軟件保護
    • 不過在現代有可以都用CPU保護的了。CortexM芯片等等。
• 事件2發生什么事情？
  • 事件2作用：確定中斷入口在哪里
  • 硬件CPU來準備—操作系統OS和CPU都能來提供中斷向量表【中斷處理函數的數組空間】。
• 事件3發生什么事情？
  • 事件3作用：中斷處理函數
  • 操作系統來準備。
• 事件4發生什么事情？
  • 事件4作用：中斷返回【普通函數返回】
  • 軟件實現，編譯器來實現。
  • 特定的匯編寫，不能c語言。
    • 普通函數
      • PC值—>硬件保護
      • PSW寄存器—>不需要保護。
      • 基礎寄存器—>編譯器保護

同步行為
同步行為是指任務按順序執行，前一個任務完成后，才能開始下一個任務。同步操作會阻塞當前線程，直到任務完成。

三、虛擬內存

從下往上看，分為進程代碼和數據區、堆數據區、共享庫區、堆棧區、內核內存區。

這部分的基礎先了解這個圖片就行了。

常駐內存是指一直都在，不能刪掉。

四、并發和并行

• 并發是指多個任務在同一時間段內交替執行，但在任意時刻可能只有一個任務在運行。并發通過任務切換（上下文切換）實現，給人一種多個任務同時運行的錯覺。
• 如圖：同一時間段內

時間軸： |----任務A----|----任務B----|----任務A----|----任務B----|

• 并行是指多個任務在同一時刻同時執行。并行需要多核 CPU 或多個處理器，每個任務運行在不同的核心上。
• 如圖：同一時刻內

時間軸： |----任務A----||----任務B----||----任務C----|

五、系統調用【超重點】

通過上圖能明白，硬件不能直接讓用戶使用它。
所以提出了系統調用 。

• 系統調用

  • 定義：系統調用是操作系統內核（Kernel）為應用程序提供的一組接口，允許用戶程序（運行在用戶態）請求內核（運行在內核態）代為執行特權操作（如文件讀寫、進程創建等）。
  • 系統調用依賴硬件和OS（操作系統）。

• 系統調用的工作原理

• (1) 調用流程

  • 用戶程序觸發調用
    • 通過特定函數（如C標準庫中的 printf() → 底層調用 write()）或直接代碼觸發。
  • 用戶態 → 內核態切換
    • 通過軟中斷（如 int 0x80）或專用指令（如 syscall）進入內核態。
  • 執行內核服務
    • 內核根據系統調用號（如 Linux 的 read 對應 0 號）調用對應的內核函數。
  • 返回結果
    • 內核將結果傳遞給用戶程序，回到用戶態繼續執行。

• (2) 系統調用號（syscall number）

  • 每個系統調用對應唯一編號，通過寄存器傳遞（如 x86-64 Linux 中，rax 存放系統調用號）。
  • 示例：Linux 的 sys_write 在 x86-64 中的調用號是 1，可通過命令 grep __NR_write /usr/include/asm/unistd_64.h 查看。

• (3) 參數傳遞

  • 寄存器傳遞參數：參數按順序放入 rdi, rsi, rdx, r10, r8, r9（x86-64 架構）。