Operating System

OS是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时为用户和应用程序提供抽象接口

换句话说，OS是

1. 资源管理者：管理CPU、内存、磁盘、网络、设备
2. 服务提供者：给程序提供文件、进程、线程、系统调用等接口
3. 安全保护者：隔离程序、防止错误破坏系统

核心职能

1. 进程管理
   • 谁在用CPU,什么时候切换
   • 调度、同步、进程间通信（IPC）
2. 内存管理
   • 虚拟内存、页表、Cache
   • 分配和回收内存
3. 文件系统管理
   • 文件、目录、inode、page cache
   • 提供统一的文件操作接口
4. I/O与设备管理
   • 中断、DMA
   • 控制硬件访问
5. 系统调用接口
   • 用户态程序如何合法访问内核资源
   • 用户态 <-> 内核态切换

为什么需要操作系统

1. 硬件复杂，难以直接操作
2. 程序隔离，一个程序崩溃不影响其他程序
3. 资源共享，多个程序同时运行，OS负责调度
4. 安全与稳定，防止非法访问、保护系统完整性

OS的三大目标

1. 管理资源
2. 隔离程序
3. 提供抽象

OS提供了哪些抽象

OS把难用的硬件变成好用的接口

框架

进程 / 线程
   │
   ├── 调度
   ├── 同步
   ├── IPC
   │
内存管理
   │
   ├── 虚拟内存
   ├── 页表 / TLB
   ├── Cache
   │
文件系统
   │
   ├── inode
   ├── page cache
   │
I/O 与设备
   │
   ├── 中断
   ├── DMA
   │
系统调用 & 内核态

大纲

• 并发模型

  • 进程概念：资源容器、隔离、创建/销毁
  • 线程概念：执行单元、共享资源、独立栈
  • 调度：时间片、抢占、上下文切换成本
  • 同步：锁、原子操作、条件变量
  • IPC：管道、共享内存、消息队列、socket
  • 轻量线程vs内核线程
  • TLS
  • 伪共享

• 内存管理

  • 虚拟内存&地址空间
  • 页表&TLB
  • 栈/堆/全局/代码区
  • Cache层次与访问局部性
  • 内存分配策略：slab/buddy/malloc/pool
  • false sharing
  • 内存对齐
  • 访问模式

• 文件系统

  • 文件与目录结构
  • inode与目录项
  • page cache、延迟写
  • 常见文件系统特性（ext4/NTFS/F2FS）

• I/O与设备

  • 中断与中断向量
  • DMA概念与流程
  • DMA与GPU资源上传
  • 阻塞vs非阻塞I/O
  • CPU与设备的数据搬运
  • 异步I/O模型（epoll/aio/IOCP）

• 系统调用&内核态

  • 用户态vs内核态
  • 系统调用机制（trap/syscall）
  • 常见系统调用举例
  • 系统调用成本分析（模式切换、Cache/TLB冲刷）
  • 高频syscall优化策略
  • 轮询vs内核事件

• 性能陷阱

  • Cache miss/TLB miss
  • 页错误/内存访问模式
  • 锁争用/假共享
  • 系统调用开销