【0.2 漫画操作系统原理】

️ 漫画操作系统原理

学习目标：深入理解操作系统核心原理，为Java并发编程和性能优化打下坚实基础

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第一章：操作系统初识篇

什么是操作系统？

想象一下，你是一个大型图书馆的馆长…

 没有操作系统 vs 有操作系统

没有操作系统：
读者1 → 直接找书架 ← 读者2
     ↘     ↙
      发生冲突！
      
有操作系统：
读者1 → 图书管理系统 → 有序分配 → 书架1
读者2 → 图书管理系统 → 有序分配 → 书架2
读者3 → 图书管理系统 → 排队等待 → 书架?

操作系统的核心职责：
• 资源管理：CPU、内存、磁盘、网络
• 进程调度：决定哪个程序先运行
• 内存管理：为程序分配和回收内存
• 文件管理：统一的文件存储接口
• 设备管理：统一的硬件访问接口

操作系统特性：

• 并发性：同时处理多个任务
• 共享性：多个程序共享系统资源
• 虚拟性：为每个程序提供独立的虚拟空间
• 异步性：程序执行顺序不可预知

️ 操作系统架构

️ 操作系统分层架构：

┌─────────────────────────────────────┐
│           用户应用程序               │ ← 用户态
├─────────────────────────────────────┤
│           系统调用接口               │ ← 内核态边界
├─────────────────────────────────────┤
│  进程管理 │ 内存管理 │ 文件管理     │
├─────────────────────────────────────┤ ← 内核态
│  设备管理 │ 网络管理 │ 安全管理     │
├─────────────────────────────────────┤
│            硬件抽象层               │
└─────────────────────────────────────┘
            硬件层

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第二章：进程与线程管理

进程基础概念

 进程生命周期：

创建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 终止
  ↑      ↓      ↓      ↑
  └──────┴──────┴──────┘
  
进程状态转换：
• 创建→就绪：进程创建完成，等待CPU
• 就绪→运行：获得CPU时间片
• 运行→阻塞：等待I/O或其他资源
• 阻塞→就绪：所需资源到位
• 运行→就绪：时间片用完
• 运行→终止：进程执行完毕

进程控制块(PCB)：
┌─────────────────┐
│ 进程ID(PID)     │
│ 进程状态        │
│ CPU寄存器       │
│ 内存管理信息    │
│ 文件描述符      │
│ 调度信息        │
└─────────────────┘

线程深度解析

 进程 vs 线程对比：

进程（重量级）：
┌─────────────────┐
│ 进程A           │
│ ┌─────┐ ┌─────┐ │
│ │线程1│ │线程2│ │
│ └─────┘ └─────┘ │
│ 独立内存空间    │
└─────────────────┘

线程（轻量级）：
• 共享进程内存空间
• 拥有独立的栈和寄存器
• 创建开销小，切换快
• 通信简单但需要同步

线程实现模型：
1. 用户级线程：内核不感知，效率高但无法利用多核
2. 内核级线程：内核管理，可利用多核但开销大
3. 混合模型：结合两者优势

进程调度算法

 CPU调度算法详解：

1. 先来先服务(FCFS)：
   进程: A(24) → B(3) → C(3)
   时间: 0────24──27─30
   平均等待时间: (0+24+27)/3 = 17

2. 最短作业优先(SJF)：
   进程: B(3) → C(3) → A(24)
   时间: 0─3──6────30
   平均等待时间: (0+3+6)/3 = 3

3. 时间片轮转(RR)：
   时间片=4，进程队列: A(24),B(3),C(3)
   A(4) → B(3) → C(3) → A(4) → A(4) → A(4) → A(4) → A(4)

4. 优先级调度：
   ┌─────────────────┐
   │ 优先级队列      │
   │ 高 ┌─────┐     │
   │ ↑  │进程A│     │
   │ │  └─────┘     │
   │ │  ┌─────┐     │
   │ │  │进程B│     │
   │ │  └─────┘     │
   │ 低 ┌─────┐     │
   │    │进程C│     │
   │    └─────┘     │
   └─────────────────┘

进程同步与通信

 进程同步机制：

1. 互斥锁(Mutex)：
   ```java
   synchronized(lock) {
       // 临界区代码
       共享资源访问
   }

2. 信号量(Semaphore)：

   Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 允许3个线程
   semaphore.acquire(); // P操作，获取资源
   try {
        
       // 使用资源
   } finally {
        
       semaphore.release(); // V操作，释放资源
   }
   

3. 条件变量(Condition)：

   ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   Condition condition = lock