JavaEE-操作系统

✏️作者：银河罐头
📋系列专栏：JavaEE

🌲“种一棵树最好的时间是十年前，其次是现在”

操作系统介绍

操作系统是一组做计算机资源管理的软件的统称。目前常见的操作系统有：Windows系列、Unix系列、
Linux系列、OSX系列、Android系列、iOS系列、鸿蒙等

操作系统是一个软件，搞管理的软件。

1.对下，要管理硬件设备

2.对上，要给软件提供稳定的运行环境

操作系统是软件，硬件，用户之间交互的媒介

PC端：Windows,Linux,Mac

移动端：Android,IOS

• Windows

最熟悉的操作系统的是Windows.(使用门槛比较低)

Windows的发展：Windows98,2000,xp,vista,win7,win10,win11

• Linux

Linux特别适合于进行开发和部署

应用范围：

1.服务器(MySQL)

2.嵌入式设备(在设备中内嵌了一个计算机)

(举例：冰箱，洗衣机，投影仪，空调…)(可编程的)

3.移动端设备(手机)

• Mac

和Linux比较接近

• Android

本质上也是Linux

• 鸿蒙

本质上也是IOS

操作系统的定位

• 硬件设备：键盘，鼠标，内存，硬盘，风扇，电源。(电脑后盖打开看到的都是硬件设备)

• 驱动程序：(JDBC的驱动程序就是让JDBC和各个数据库厂商的API进行适配)

硬件设备种类繁多，厂商各异。硬件厂商在开发硬件的同时会提供驱动，电脑装了驱动才能让系统正确的识别硬件设备。

• 操作系统内核：操作系统的核心功能，管理。
• 系统调用：操作系统给应用程序提供的API。(比如有个程序想操作一下硬件设备，就需要通过系统调用，把操作命令告诉给系统内核，内核调用驱动程序，进一步的操作硬件设备)

举例：在显示器上打印helloworld应用程序通过系统调用，通知操作系统内内核，内核通过驱动程序找到显示器或显卡这个驱动，然后通过显卡把数据渲染到界面上

• 应用程序：举例Java程序。

进程

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，换言之，可以把进程看做程序的一次运行过程；
同时，在操作系统内部，进程又是操作系统进行资源分配的基本单位。

如果不是正在运行的程序就不是进程。

ctrl+alt+delete=>任务管理器

进程(process)也叫做任务(task)

句柄(handler)

系统中包括很多软件资源(进程是一种软件资源)，写代码需要用到一些软件资源，软件资源在操作系统内核里。在应用程序的代码中不方便操作。

句柄相当于一个遥控器(简单的整数/编号)，通过系统调用借助这个句柄就可以操作软件资源了

(指针也可以视为是句柄，不过它对应的是内存资源)

每个进程都对应一些资源

硬盘和网络统称为IO，硬盘和网络有各自的读写带宽

衡量IO快慢就会用带宽这个词，带宽是一秒能写多少字节

MB：这里的B是Byte

Mbps:这里的b是bit

影响电脑卡的原因是进程多，而不是占用硬盘内存多

进程是操作系统资源分配的基本单位

进程是一个重要的软件资源，由操作系统内核管理。这个管理是描述(属性特征)+组织(用数据结构把多个这样的基本单位组织起来)

• 描述

使用结构体(C语言)来描述进程属性(操作系统基本上都是C/C++写的)

用来描述进程的这个结构体叫做PCB(Process Control Block)进程控制块。

• 组织

通过双向链表把多个PCB组织起来(并不是一个单纯的双向链表)

创建一个进程，本质上是创建一个PCB结构体对象，把它插入到链表中

销毁一个进程，本质上是把链表的PCB结点删除

任务管理器查看进程列表，就是遍历PCB链表

进程控制块

PCB里有哪些描述了进程的特征：

• 1.pid进程的身份标识符(唯一的数字)

• 2.内存指针

指向了自己的内存是哪些

• 3.文件描述符表

硬盘上的文件等其他资源

内存指针和文件描述符表描述了进程持有哪些硬件资源

硬件资源，内存，硬盘，网卡都好分配，而CPU不好分配。

设备管理器=>处理器

8核，16线程。一个CPU分为8个核心，每个核心又能一个顶俩(超线程技术)，这种情况视为16核

进程有上百个，而CPU就几个，不够分配。

这些进程是希望能够"同时运行",“分时复用”

并行：微观上同一时刻，两个核心上的进程是同时执行的

并发：微观上同一时刻，一个核心上只能运行一个进程，但是它能够对进程进行快速的切换。

只要切换速度足够快(2.4GHz,每秒执行24亿条指令)，宏观上人是感知不到的。看起来这几个进程好像是同时运行的。

并行和并发是内核负责处理的，但是应用程序感知不到，因此把并行和并发统称为并发。(除非显式声明，否则提到并发都是并行+并发)

操作系统中有一个重要的模块 调度器，就负责让有限的CPU资源调度执行这么多进程。

• 4.进程调度相关的属性

1）进程的状态

就绪状态： 进程随时准备好了去CPU上执行

运行状态

阻塞状态： 短时间内无法到CPU上执行，比如进程在进行密集的IO操作，读写数据

很多操作系统不会明确区分就绪和运行状态

2）优先级

3）上下文

操作系统在进行进程切换的时候，就需要把进程执行的"中间状态"记录下来，保存好。下次这个进程再次运行的时候，就可以恢复上次的状态好继续向下执行。

“存档”，“读档”

上下文本质上就是你存档的内容，进程的上下文就是CPU中各个寄存器的值。(寄存器是CPU中内置的存储数据的模块,保存的就是程序运行过程中的中间结果)

保存上下文，就是把这些CPU寄存器的值，记录保存到内存(PCB)中。

恢复上下文，就是把内存中这些CPU寄存器的值恢复回去。

4）记账信息

操作系统统计每个进程在CPU上占用的时间和执行的指令数目，根据这个，来决定下一阶段如何调度。

内存管理

• 虚拟地址空间：程序中所获取到的内存地址，并非是真实的物理内存的地址，而是经过了一层抽象，虚拟出的地址。

C语言里的指针提到的内存地址，就是虚拟的内存地址，并非真实的物理内存地址。

内存可以想象是一个大走廊，有很多房间，每个房间大小是1Byte，每个房间有个编号，从0开始依次累加

内存编号就是地址，这个地址是物理地址

内存有个特性：

随机访问：访问内存上任意地址的数据，速度都极快，时间上差不多

正是这个特点，造就了数组取下标操作是O(1)

为了避免这种情况，

针对进程使用的内存空间，进行"隔离"，引入了虚拟地址空间。代码里不再使用真实的物理地址，而是使用虚拟的地址。由操作系统和专门的硬件设备负责进行虚拟地址到物理地址的转换。

MMU这个硬件设备能够让转换更快一点，很多时候集成在CPU里

CE是一个类似于"黑客"工具，功能是改另一个进程里的数据。

直接通过C里的指针操作，是无法针对另一个进程的内存进行修改的。

但是操作系统给我们提供了一些特殊的系统调用，通过这些系统调用我们就可以手动的操作另一个进程的内存数据了。

虚拟地址空间就是避免进程之间相互产生影响。

进程间通信

有时候进程之间需要进行数据的交互。需要实现一个多个进程都能访问到的"公共空间"，基于这个公共空间来进行交互数据即可。

举例：外卖的"无接触配送"

外卖员把外卖放到约定好的位置，然后顾客去这个位置取外卖，两人没有接触，但是实现了外卖交接。

这里的通信方式有很多具体的体现方式

1. 管道

2. 共享内存

3. 文件

4. 网络

5. 信号量

6. 信号

思维导图总结