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目录
前言
一、操作系统
1. 概念
2. 操作系统的基本功能
3.操作系统内核
4. 操作系统的类型
二、并发和并行
并发：是指系统能够同时处理多个任务。多线程
并行：是指系统同时执行多个操作，多进程
三、进程
1. 概念
2. 进程的特性
3. 进程的属性
4. 进程的组织
5. 进程间的通信
扩展：虚拟地址空间(保证了进程的独立性)
6. 进程的应用场景
四、线程(“轻量级进程”)
1. 线程的概念
2. 线程的特性
与进程的差异
优势：
挑战：
3. 线程同步与通信
4. 线程的六大状态
5. 线程池和执行者框架
前言
操作系统：计算机背后的智慧大脑，本质是一个软件
在当今数十亿台设备上运行的软件背后，存在一个关键的、却常被忽视的技术支柱 —— 操作系统。操作系统是计算机系统中的核心软件，它负责管理和协调计算机硬件资源，并为用户和应用程序提供服务和接口。无论是个人电脑、智能手机，还是大型服务器，都依赖于操作系统的顺畅运行。
进程：计算机运行的基本单位
在计算机科学中，进程（Process）是操作系统中的一个核心概念，它代表了正在运行的程序的实例。理解进程是理解操作系统和多任务处理的关键，本文将介绍进程的定义、特性、管理以及在现代计算中的重要性。
线程：并发编程的核心概念
在计算机科学和软件开发中，线程（Thread）是一种重要的并发编程概念，它允许程序同时执行多个任务，提高系统资源的利用率和响应速度。本文将介绍线程的定义、特性、应用以及在现代软件开发中的重要性。
一、操作系统
1. 概念
操作系统：是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配;以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。
操作系统功能介绍：
- 系统资源的管理者
- 文件管理
- 存储器管理
- 处理机管理
- 设备管理
- 最接近硬件的一层软件
- 向下管理所有的硬件设备
操作系统毕竟是个软件，不可能认识所有的硬件设备，但是操作系统知道硬件设备由哪几个大类，知道每个大类大致有哪些功能，然后硬件厂商就可以开发一个驱动程序(软件)专属这个硬件设备，然后操作系统就可以对这个驱动程序来完成对硬件设备的操控，比如鼠标为什么插上就可以使用。
- 对上要给软件提供稳定的运行环境并且提供方便易用的服务
操作系统提供稳定的运行环境意味着它应能有效管理硬件资源，防止因硬件故障或资源竞争而导致软件崩溃或运行异常。操作系统负责管理和分配CPU、内存、硬盘等硬件资源，以确保各个软件程序可以平稳地运行，并且能够有效利用资源，提高系统的整体性能和效率。
2. 操作系统的基本功能
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资源管理：
- 处理器管理：操作系统负责调度进程和线程，以便在多任务环境中有效地利用CPU资源。
- 内存管理：管理系统内存的分配和释放，保证每个程序都能获取到所需的内存空间。
- 文件系统管理：管理文件的存储、检索和组织，确保数据的安全性和可靠性。
- 设备管理：管理和控制输入输出设备，如磁盘驱动器、打印机、网络接口等，使得它们能够有效地与计算机通信和交互。
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用户接口：
- 提供用户与计算机系统交互的界面，如命令行界面（CLI）和图形用户界面（GUI）等。
- 一条命令一个响应
- 多条命令
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错误检测与处理：
- 监控系统运行过程中的错误和异常，采取适当的措施进行处理，以确保系统的稳定性和可靠性。
3.操作系统内核
操作系统“内核”是操作系统里面最核心的功能模块
内核分为内核态和工作态，一个程序在运行过程中，可能在用户态工作也可能在内核态工作
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管理系统资源
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管理计算机中的硬件资源，如内存、硬盘、处理器，以确保资源合理有效的分配和使用
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进程管理
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管理系统中的进程，如进程的创建、调度和终止等操作。以确保多个进程在系统中协调运行
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内存管理
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管理系统的内存资源，包括内存的分配、回收、页面置换等操作，以提供给进程足够的内存空间
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文件系统
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管理文件系统，包括文件的创建、读写和删除等操作，以提供对文件的管理和访问
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设备驱动程序
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管理硬件设备的驱动程序，以便于应用程序可以通过内核与硬件设备进行通信和操作
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总结
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内核是操作系统的核心，硬件的驱动程序都在操作系统内核中工作，负责管理计算机的硬件资源和提供基本的系统服务，为用提供运行环境和操作硬件的接口。
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最后：操作系统 = 操作系统内核 + 配套的应用程序
配套的应用程序：
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在操作系统上运行的软件程序，用于完成各种任务和提供各种功能。
4. 操作系统的类型
根据应用场景和设备类型的不同，操作系统可以分为多种类型，包括但不限于：
- 桌面操作系统：如Windows、macOS、Linux等，主要用于个人电脑和工作站。
- 服务器操作系统：如Linux服务器版、Windows Server等，专门用于管理和运行服务器资源。
- 嵌入式操作系统：如Android、iOS等，用于嵌入式系统和移动设备。
- 实时操作系统：如RTOS（Real-Time Operating System），专门用于对时间敏感的应用，如航空航天控制系统和工业自动化。
二、并发和并行
并发：同一时间应对多件事情的能力 (感觉上的同时执行)
并行：同一时间动手做多件事情的能力 (真正的同时执行)
并发：是指系统能够同时处理多个任务。多线程
- 并发并不意味着同时进行所有任务，系统通过在任务之间快速切换（时间片轮转或者其他调度方式），使得在单个时间段内似乎是同时进行了多个任务。
- 并发通常是通过时间分片的方式：切换不同任务的执行，每个任务都有自己的执行时间片。注意：这里的时间片非常小(计算机执行的非常快)，切换的非常快，因此给人的感觉就是多个任务同时进行。
比如：视频就是图片一帧一帧的进行，因为切换的速度非常快，所以 就给人一种错觉，感觉不到图片是一点点切换的。
并行：是指系统同时执行多个操作，多进程
并行：多个任务在同一时刻开始和执行，通常每个任务都分配给不同的处理单元（如多核处理器或者多台机器）。实现并行的关键在于同时具有多个执行单元，能够并行地执行多个任务。
三、进程
1. 概念
进程是指计算机中正在运行的一个程序的实例。每个进程都有自己的内存空间、代码和数据，它们之间相互独立，通过操作系统的调度和管理来分配处理器资源。在多任务操作系统中，可以同时运行多个进程，每个进程都有自己的执行流程和执行状态。
一般来说系统一开机就会有成百的进程被创建，有些进程是系统自动创建的，有些是手动创建的，每个进程想要运行都需要一定的系统资源(硬件设备)，每个进程都是资源分配的基本单位。
与程序是不同的概念，有些人总将进程和程序混淆：
程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的。
当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。一个程序可以开启多个进程。
2. 进程的特性
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独立性：每个进程是独立运行的实体，它们之间不会直接影响或干扰彼此的执行。
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资源分配：操作系统负责为每个进程分配所需的资源，包括内存空间、CPU时间片、文件和设备等。
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并发执行：多个进程可以并发执行，通过操作系统的调度算法决定哪些进程在哪个时刻执行。
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通信机制：进程之间可以通过共享内存、消息传递等机制进行通信，实现数据交换和协作。
3. 进程的属性
使用类/结构体，把被管理的一个对象的各个属性表示出来
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PCB的属性(一个进程有一个)
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pid:进程的身份标识
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每一个进程都有一个pid，同一时刻，不同进程的pid是不同的
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内存指针(一组属性)
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描述进程持有的“内存资源”是什么样子的
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每个进程在运行时时候，都会分配一定的内存空间，这个进程，内存空间，具体在哪里，以及分配的空间中有哪部分，每部分都是饭啥的，都是由内存指针进行区分的
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内存指针表示该进程在内存中的位置，意义快速找到内存中进程的位置，并恢复其上下文
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文件描述符表(顺序表结构)
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描述了进程持有的“硬盘资源”是啥样的 文件有关=>和磁盘有关
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一个进程要涉及到硬盘操作，就需要按照文件的方式来操作，当前进程关联了哪些文件，都能操作哪些文件，都是由文件描述符表决定的
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文件描述符表是进程控制块中的一个重要部分，用于管理进程打开的文件。意义是管理和追踪打开的文件
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进程的调度(进程持有的CPU资源的相关情况)
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进程的状态
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就绪状态
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已经准备好运行，正在等待分配CPU时间
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运行状态
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进程正在执行并占用CPU
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阻塞状态
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进程由于某种原因暂时无法继续执行，如等待I/O操作完成
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创建状态
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进程正在被创建但尚未开始执行
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终止状态
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进程已经执行完毕或被终止
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进程的优先级
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更好的调配系统资源，可以确保系统中重要或紧急的任务能够得到优先处理，从而提高系统的响应速度和效率
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进程的上下文
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进程在某一时刻的运行状态以及相关的数据结构，跟日记一样，一般都会把寄存器的值存到上下文中，就相当于存在内存中了
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存档
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进程从CPU离开之前，需要保存现场，把之前CPU中各种寄存器状态都记录在内存中
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读档
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下次进程回到CPU上执行的时候，此时就可以把保存这些寄存器的值，恢复回去，进程就会沿着上次执行的位置，继续执行
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进程的记账信息
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记账信息，会记录当前进程持有CPU的情况(在CPU执行多久了)就可以作为操作系统调度进程的参考依据，防止有些CPU一点资源也没有
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总结
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每个进程都有对应的PCB，用来管理进程的相关信息，PCB包含了操作系统对进程管理的所有信息，如进程状态、程序计数器、寄存器值、进程优先级、进程ID等
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4. 进程的组织
- 系统一般会使用双向链表来组织多个PCB。使用数据结构，把这些表示出来的对象，串起来(为了后序的增删改查)。
- 原理介绍: 创建新的进程，创建PCB并把PCB插入到链表中。 销毁线程:把PCB从链表上删除并释放 展示进程列表:遍历链表中的每一个节点。
5. 进程间的通信
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因为虚拟地址空间的存在进程之间是相互独立的，所以要有进程之间的通信。
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通过文件
进程通过读写文件来进行数据交换，这种方式简单直接，适用于需要长期存储数据或者在不同时间点进行数据交换的情况。例如，一个进程可以将数据写入文件，另一个进程再从文件中读取这些数据。 -
通过网络(socket)
网络连接进行进程间通信。这种方式可以在不同计算机之间进行通信，可以是在局域网内或者通过互联网。常见的网络通信方式包括使用套接字进行通信，可以实现客户端和服务器之间的通信。另外，还有像HTTP、FTP等应用层协议，用于在网络上传输数据。
扩展：虚拟地址空间(保证了进程的独立性)
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操作系统先进行检查虚拟地址，完成虚拟内存映射到物理内存上(翻译虚拟地址到物理地址)。
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防止一个访问越界，影响了其他好的内存，又因为操作系统要给进程提供一个稳定的运行环境，所以操作系统就引入“虚拟地址空间”概念，不是分配物理内存了，而是分配虚拟的内存空间，操作系统对于内存又进行了一层抽象
6. 进程的应用场景
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多任务处理：允许用户同时运行多个应用程序，提高计算机系统的利用率和效率。
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服务器管理：操作系统通过多进程模型支持服务器端应用，如Web服务器、数据库服务器等。
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并发编程：开发者可以利用进程来实现并行计算和分布式系统，处理大规模数据和复杂任务。
四、线程(“轻量级进程”)
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线程是资源调度的基本单位
1. 线程的概念
线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。与进程不同的是，同一进程中的多个线程共享相同的内存空间和资源，但每个线程拥有独立的执行流程和程序计数器（Program Counter）。
2. 线程的特性
- 拥有进程的全部属性。
- 每个线程都可以独立的去CPU上调度执行
- 同一个进程的多个线程之间，共用同一份内存空间，和文件资源....所以说创建线程不需要重新申请资源了，直接复用之前已经分配给进程的资源，省去了资源分配的开销，于是创建效率就更高了
- 一个进程可以包含一个或者多个线程，每一个线程都可以执行一些代码，每个线程都是可以独立调度的。
与进程的差异
优势：
- 资源效率： 线程相比进程更轻量，因此更容易创建和销毁，可以更高效地利用系统资源。
- 响应性和并发性： 多线程使得程序可以响应多个请求或事件，提高了系统的并发处理能力。
- 简化数据共享： 线程共享同一进程的资源，这使得数据共享和通信相对简单。
- 资源节约: 线程共享同一个进程的内存空间和资源，创建和销毁线程开销较小。 速度: 线程切换开销较小，可以实现更快的并发执行。
- 通信简单: 线程可以直接访问共享内存，通信相对简单。
挑战：
- 线程安全问题： 多个线程访问共享数据时可能引发竞态条件（Race Condition）和死锁（Deadlock），需要使用同步机制来解决。
- 调试和测试困难： 多线程程序的调试和测试比单线程程序更复杂，因为需要考虑不同线程之间的交互影响。
- 资源竞争： 如果线程过多或者线程设计不当，可能会导致系统资源竞争，降低整体性能。
- 安全性: 线程之间共享内存，需要额外的同步机制来保证数据一致性，容易出现竞态条件。
- 稳定性: 一个线程的崩溃可能导致整个进程崩溃。
- 复杂性: 线程之间的同步和通信需要额外的注意，易出现死锁等问题。
3. 线程同步与通信
在多线程编程中，确保线程之间的协作和数据一致性至关重要。常见的线程同步机制包括：
- 锁（Locks）： 包括互斥锁（Mutex）、读写锁（ReadWriteLock）等，用于保护共享资源，防止多个线程同时修改造成数据不一致。
- 信号量（Semaphores）： 用于控制同时访问某一资源的线程数量。
- 条件变量（Condition Variables）： 用于线程间的通信和等待/唤醒机制。
4. 线程的六大状态
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未启动的线程的线程状态： NEW
- 指的是创建了但尚未启动（调用start方法）的线程，此时线程处于NEW状态。
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可运行线程的线程状态： RUNNABLE
- 表示线程正在Java虚拟机中执行，可能在等待CPU调度执行，或者正在执行。
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阻塞等待监视器锁的线程状态： BLOCKED
- 当线程试图进入一个synchronized代码块，但该锁已经被其他线程占用时，该线程会进入BLOCKED状态，等待获取锁。
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等待线程的线程状态： WAITING
- 线程因为调用了Object.wait()、Thread.join()或LockSupport.park()而进入WAITING状态，需要其他线程的显式唤醒或者超时等待。
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具有指定等待时间的等待线程的线程状态： TIMED_WAITING
- 线程因为调用了Thread.sleep(long millis)、Object.wait(long timeout)、Thread.join(long millis)或LockSupport.parkNanos()而进入TIMED_WAITING状态，等待一段指定的时间后自动唤醒或者超时。
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已终止线程的线程状态： TERMINATED
- 线程执行完毕或者因为异常退出后，线程的状态变为TERMINATED。
5. 线程池和执行者框架
为了更有效地管理和利用线程，现代编程语言和框架通常提供线程池（ThreadPool）和执行者框架（Executor Framework），这些工具可以管理线程的生命周期、调度执行任务，并提供了高级的线程管理功能，如线程复用和任务队列管理。
