操作系统知识点

进程管理API

操作系统通过fork()和execve()创建进程。通过mmap()修改地址空间

操作系统通过一系列系统调用（System Calls）来提供对进程的管理，这些系统调用组成了进程管理API。以下是几个最重要的API：

1. 创建进程：fork()

• fork() 是 Unix/Linux 系统中最基本的进程创建方式。当一个进程调用 fork() 时，操作系统会创建一个几乎完全相同的子进程。
• 返回值：fork() 是一个神奇的调用，它会返回两次。
  • 在父进程中，fork() 返回子进程的PID（进程ID），一个大于0的整数。
  • 在子进程中，fork() 返回0。
  • 如果创建失败，fork() 返回-1。
• 地址空间：fork() 调用后，父子进程拥有各自独立的地址空间。父进程对变量的修改不会影响子进程，反之亦然。但在调用 fork() 之前，父进程打开的文件描述符会被子进程继承。

2. 运行新程序：exec()

• exec() 系统调用族（如 execvp()）的作用是加载并运行一个全新的程序。
• exec() 不会创建新的进程。它会用一个新的程序映像（代码、数据等）替换当前进程的映像。
• 通常，exec() 配合 fork() 一起使用。先用 fork() 创建一个子进程，然后在子进程中调用 exec() 来运行另一个程序，这样既能创建新进程，又能加载新程序。

3. 等待进程完成：wait()

• wait() 系统调用用于让父进程等待子进程结束。
• 当父进程调用 wait() 时，它会暂停执行，直到它的某个子进程终止。
• wait() 的作用是防止“僵尸进程（zombie process）”的出现。当子进程终止后，它会进入僵尸状态，但仍然保留一些信息（如退出状态码）。父进程通过调用 wait() 可以获取这些信息，并让操作系统回收子进程的资源。

4. 结束进程：exit()

• exit() 系统调用用于终止一个进程的执行。
• exit() 的参数是一个整数，称为退出状态码。通常，0 表示成功，非0表示失败。
• 当一个进程调用 exit() 后，操作系统会回收它的大部分资源，但进程ID和退出状态码会保留下来，直到父进程通过 wait() 来处理。

虚拟化内存

虚拟内存是一种内存管理技术，它为每个进程提供了一个独立的、连续的、巨大的逻辑地址空间，而这个空间实际上是映射到物理内存（以及部分硬盘空间）上的。

简单来说，它让程序“感觉”自己拥有了一整块非常大的、独占的内存，但实际上物理内存可能是分散的、有限的，甚至部分数据还存放在硬盘上。

对象

文件描述符从最小未分配的描述符开始分配

同步和互斥的区别

1. 核心目标不同

• 互斥 (Mutual Exclusion)： 强调的是 “排他性” 或 “隔离”。
  • 目标： 确保共享资源在任何时刻 只被一个 执行流（线程/进程）访问。
  • 解决的问题： “我们不要同时访问这个东西，免得搞砸了。” 它防止的是“冲突”。
  • 关键词： 独占、唯一、锁。
• 同步 (Synchronization)： 强调的是 “协作” 或 “时序”。
  • 目标： 控制多个执行流之间执行的 相对顺序，让它们能够有效、正确地协同工作来完成一个任务。
  • 解决的问题： “你必须等我做完这件事，你才能开始做你的事。” 它保证的是“秩序”。
  • 关键词： 协作、顺序、等待、通知。

2. 生活中的比喻：两位厨师做一道菜

想象有两位厨师（线程A和线程B）合作做一道菜：“番茄炒蛋”。

这道菜有两个主要步骤：

1. 厨师A负责切番茄。
2. 厨师B负责炒鸡蛋，并在鸡蛋炒好后，加入切好的番茄一起翻炒。

在这个场景中：

• 互斥是什么？
  • 厨房里只有 一把菜刀（共享资源）。
  • 当厨师A在用菜刀切番茄时，厨师B就不能用这把菜刀。反之亦然。
  • 这把菜刀的使用规则就是 “互斥”。我们用一个“正在使用”的牌子（互斥锁）来保证这一点。谁拿到牌子谁用刀。
• 同步是什么？
  • 整个做菜流程有一个明确的 顺序：厨师B 必须 等到厨师A把番茄切好后，才能把番茄倒入锅中。
  • 如果厨师A还没切番茄，厨师B就把鸡蛋炒好了，此时他不能继续，必须停下来等待。
  • 这种为了保证任务正确完成而建立的 执行时序上的依赖关系，就是 “同步”。我们可以用一个“番茄切好了”的信号（条件变量）来协调他们。厨师A切好后发出信号，厨师B接收到信号才继续工作。

3. 关系：从属关系

同步是一个宏观的目标，而互斥是实现这个目标的一种手段。

• 你想让两位厨师 同步 协作，完美地做出番茄炒蛋。
• 为了达成这个目标，你需要解决两个问题：
  1. 顺序问题：先切番茄，再放番茄。（这是纯粹的同步问题）
  2. 资源冲突问题：菜刀不能同时用。（这是互斥问题）

所以你看，为了完成整个“同步”任务，你需要用到“互斥”这个工具来管理资源。因此，我们可以说互斥是同步这个大范畴内的一个子问题。

4. 总结表格

特性	互斥 (Mutual Exclusion)	同步 (Synchronization)
关系	是同步的一种特殊情况	更广泛的概念，包含互斥
核心目的	访问控制：保证资源在同一时间点不被多个线程访问	时序协调：保证多个线程按照预定的顺序执行
关注点	空间上隔离，防止冲突	时间上有序，协同工作
好比	“不要同时进这个门”	“请按顺序排队办事”
主要工具	互斥锁 (Mutex)	条件变量 (Condition Variable)、信号量 (Semaphore)

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所以，下次当你考虑并发问题时，可以这样思考：

1. 这些线程之间需要 协作 吗？它们执行的顺序有要求吗？ --> 如果是，你需要 同步。
2. 在协作过程中，它们会访问 共享 的东西吗？需要防止它们同时访问吗？ --> 如果是，你需要 互斥 来保护那个共享的东西。

PV操作

PV操作的顺序

V 操作：只释放，不阻塞，顺序无所谓。

P 操作：会申请，可能阻塞。当多个 P 操作在一起时，错误的顺序可能导致循环等待，从而引发死锁。

有临界资源的时候要使用一个互斥P来保证只有一个线程使用

同步P vs 互斥P 法则：

• 先执行同步P (P(full)) 是为了检查前提条件。如果条件不满足，就不去持有任何锁，直接等待即可，不影响别人。
• 后执行互斥P (P(mutex)) 是为了保护临界操作。只有在确认可以进行操作后，才去申请锁，并且操作完立刻释放。

辨别互斥P和同步P

特征	互斥 P (Mutex P)	同步 P (Sync P)
目的	锁门 (Locking)，防止冲突	等消息 (Waiting)，保证顺序
信号量初值	通常是 1	通常是 0 或 N (N>1)
P/V 配对位置	P 和 V 在同一个进程内	P 和 V 在不同进程之间