Java EE|软件视角下的操作系统

前言

虽然，本文我们主要讨论的是软件视角下的操作系统，但是我们还是对操作系统做一个整体概述即软件+硬件角度说明。因为细节很多，所以整篇文章会比较长，请屏幕前的你做好准备嗷~

文章最后附本文的思维导图

操作系统的概念及常见的OS举例

定义：操作系统就是一组做计算机资源管理的软件统称，英文名字叫做operating system，简称OS。

简而言之，它就是一类用来做管理的、分配资源的软件。如果把整个电脑比成一个公司，那么操作系统就相当于是董事长或者总经理。

常见OS举例：

1. windows系列，我们常用的基本上就是这个windows系列。
2. Linux系统，是我们程序猿必须要掌握的系统。为什么呢？因为它特别适合开发和部署，比如服务器、嵌入式设备以及移动端设备基本上都是使用的linux系统，并且目前公司中绝大多数使用的都是这个系统，而非我们更为熟知的Windows。
3. Mac系统，也就是苹果电脑中用的系统。
4. Android系列，是手机端的操作系统，在谷歌旗下，本质上也是linux
5. ios系列，也就是苹果手机中的OS，与mac系列是同根同源的。
6. 鸿蒙……

操作系统的定位以及它的功能/职责/作用

定位：

1.是设备中软硬资源的管理者

2.是程序跑起来的必备条件

补充知识：

电脑能直接识别的只有机器语言（机器码、0、1组成的字符串序列），前辈们为了方便使用，设计了汇编语言（指令集，由一些单词组成的字符集），通过汇编语言操作电脑。但是这还不够方便，所以后来又发展出来了高级语言，我们可以通过高级语言来操作。例如java，编译后生成字节码文件（高级语言----》汇编语言），运行时，字节码变成机器码，被电脑识别（汇编语言—》机器语言）。

操作系统因为对硬件和软件方向都需要是绿灯，所以，需要提供一套指令集方便使用者编写、同时方便电脑硬件识别，以便于驱动硬件，完成程序的执行。但是不同的OS厂商设计的指令集会有所不同，所以，他们提供的驱动程序也不尽相同。

功能：

操作系统（OS）是硬件、软件、用户之间交互的媒介。对上（一般的app），起着给软件提供稳定的运行环境的作用；对下，起着硬件设备管理的作用。

全程高能！！！敲黑板警告！！！

一、进程概念（感性认知）

我们已经知道了，OS为软件提供了操作环境。那么具体是怎么操作的呢？OS对软件通过进程来管理。那么什么是进程呢？

概念：一个跑起来的程序，就叫做进程/任务。进程英文名字叫做process，任务名字叫做task。

例如，我们windows系统就可以通过ctrl+alt+delete调出我们的任务管理器，其实也就是我们这里的进程管理器。

这里我们需要区分两个概念：

进程&程序

1.从概念角度而言

程序：是一套数据处理的步骤，是静态的，表现为一个或一组文件。

进程：进程是程序的一次执行过程。

2.从用户角度而言

一个程序可以多次执行即有多个进程，甚至可以多次同时执行（宏观角度）。进程是程序在运行时的视觉主体。

3.从OS角度而言

进程是OS进行资源分配的基本单位/最小实体。

进程是一个非常重要的软件资源，是由操作系统内核负责管理（描述和组织）的。

那么OS究竟是怎么进行描述和组织的呢？我们接下来详细讨论讨论这个问题。

二、进程的描述和组织！！！

描述

进程的描述一般并不是单个数据能够描述清楚的，往往是一组数据。

在java中，我们可以用类/对象来描述这一组数据，C/C++中用的是结构体来描述的。他们都有一个共同的名字叫做进程控制块****，英文名字叫做process control block简称PCB。

而不管是结构体表示还是类/对象表示，它们的组成都是不变的，都必须包含以下四部分/具有以下四部分特征：

①进程的唯一标识——pid

②内存指针。注意这里的指针不是C/C++的指针，而是一个形象比喻，毕竟我们还有说java呢–它描述了进程关联的程序信息，例如那个程序加载到那个内存里去了。主要解决的就是内存分配的问题，比较重要！。

**③文件描述赋表。**也就是分配给这个资源使用的其他资源的信息。

④进程调度信息。主要解决的就是cpu资源的分配。非常重要！！因此，我们在下边专门开了一个小节讨论这部分内容。

PCB的这四个特性解决了OS操作中/资源分配中的进程标识、内存分配、CPU分配这三个主要问题。

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我们在idea或者vs上边打印地址其实并不是真正的地址，有人说哈希出来的虚拟地址，这种说法对吗？我们在后边专门开了一个小节讨论这个问题。

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组织

通过一定的数据结构来组织。这里采用的就是一个双向链表来把多个PCB给串到了一起。

大体认知

在基本了解了进程描述和组织之后，我们不难有这样的结论：

• 创建一个进程，本质上就是创建一个PCB这样的（结构体）对象，把它给插入链表中。

• 销毁一个进程，本质上就是把链表中的一个PCB对象给删除

• 任务管理器查看到进程列表，本质上就是遍历这个PCB链表。

三、进程描述之进程调度/CPU分配详解！！！

首先说结论，OS对CPU资源的分配，采用的是时间模式，即不同进程在不同时间段去使用CPU资源。

既然要讨论CPU分配，我们首先需要对它有一个基本的了解吧。

1.什么是CPU？

CPU是一块超大规模热集成电路，是一台计算机的运算核心和控制中心。

2.CPU的分类

决定一棵CPU战斗力的要参数包括“三大两小”。三大：核心数/线程数、频率、架构；两小：缓存、工艺。

这里我们主要关注的是核心数/线程数。

我们经常看到类似于这样的术语“8核16线程”，它的含义就是一个CPU分成8个核心，每个核心又能一个顶俩（超线程技术）。我们可以把每个核心都视为一个独立的CPU。

这里我们注意要区分进程和线程的概念，由于篇幅原因，这里我将会在第6个小节中对它进行说明。这里我们只需要简单知道进程和线程是一对多的关系即可。

了解完cpu，我们现在再来思考一个问题，cpu的核心/线程数是有限的，而我们需要处理的数据是海量的，这样就无可避免的会造成一个问题，那就是进程/线程并发。而谈到并发我们又往往会联想到并行，所以，我们再来讨论一下cpu资源分配过程中的并发和并行问题。

先来说结论，我们是希望同时进行的，为的是效率更高一些，为此，前辈们提出了一个概念——分时并发，同时涉及到并行和并发。

注意：不管是并行还是并发，一个核心上只能执行一个进程。

并行，微观上来讲，就是同一时刻，两个核心上的进程时可以同时执行，宏观上也是同时执行的。【可以理解为平行关系，互不干扰完全没问题】

并发，微观上来讲，就是同一时刻，（一个核心的多个进程是不可以同时执行的，只是跟并行并发没关系），一个核心一次只能执行一个进程，但是他能通过对进程进行快速的切换，达到宏观上，同时执行的假象。

可以暂时这样理解：
并行讨论的是cpu的不同核心上的进程，并发讨论的是同一个核心上的不同进程。
对于宏观上同时执行的进程，是并行或者并发的关系。如果这两个进程是在同一个核心上，那么就是并发的关系；如果是在不同核心上，那么就是并行的关系。

因此，分时并发就可以解决数据量比较大的时候程序的运行问题，服务于很多的进程。另外，宏观而言，并行和并发我们并不能区分，因此很多时候我们把并行和并发统称为并发，如果不显式声明的话。

讨论完cpu和并行并发这些背景知识，我们来看进程到底是怎么调度的？

进程的调度通常是通过调度器完成的。调度器有以下几种核心属性：

1. 进程的状态

   • 就绪状态：随叫随到，就成随时准备好了去cpu上执行
   • 运行状态：正在执行
   • 阻塞状态：短时间内无法响应……
   • ……（其他的了解/用到再查也可以，先掌握这些重要的）

2. 优先级

   进程之间也是有优先级的，联想优先级队列

3. 上下文

   情景：加到一半断电了。此时就需要有人/部件记录这个状态，在cpu中当一下子加载不完也是需要上下文这个功能。

   上下文本质上就是我们存档的内容。

   进程的上下文就是cpu中各个寄存器的值。（联想cpu的功能）

   保存这些上下文，就是把这些cpu寄存器的值，保存到内存中去。恢复上下文就是把这些cpu的值加载回去。

4. 记账信息

   操作系统中，统计每个进程再cpu上占用的时间和指令的舒木木，根据这个决定来决定下一阶段如何调度。

   相当于一个会议记录，方便复盘。

四、进程描述之内存管理/内存分配！

首先说结论，OS对内存资源的分配，采用的是空间模式，即不同进程使用内存中的不同区域，互相不会干扰。

既然要讨论内存，我们首先需要对它有一个基本的了解吧。

1.什么是内存？

内存是内存器，一般表现形式有内存条等等。

2.内存功能

暂时存放 CPU 中的运算数据， 以及与硬盘等外部存储器 交换数据。

3.内存条简单介绍

虚拟地址与物理地址：

物理地址：真实的内存地址

虚拟地址：物理地址被操作系统转换后的地址

这么做的原因是：同一个进程不一定会被放在内存的同一个位置，而且不同的进程因为地址的不同，而且可能不连续，编写程序会变得很复杂。

虚拟地址是暂时承诺给你，等你需要（访问这段内存）的时候才会给你分配内存

五、进程之间通信

进程一多，无可避免的会带来一些问题，比如进程相互影响的问题。我们可以把它们全部隔离吗？不可靠，如果这些进程之间有相互依赖/配合的关系呢？需要他们进行相互配合。

这个时候我们就需要在隔离性的基础上“开个口子”，搞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交互数据。

通信方式/公共空间有很多具体的体现形式，我们重点掌握两种**，基于文件和基于网络**即可。

六、相关拓展知识（了解即可）

进程和线程的区别

1. 线程是依赖于进程存在的
2. 进程和线程是一对多的关系
3. 进程是os资源分配的基本单位，线程是cpu调度的基本单位

内存管理主要研究的问题

1. 那些内存已经被分出去，那些还没有
2. 已经分配出去的内存什么时候回收，怎么进行回收
3. 物理地址到线性地址的转换。。。
4. 内存碎片问题。。。

参考

CPU
OS