       +-------------+
       |  创建       |
       +------+------+
              |
              v
       +-------------+
       |   就绪      |<----+
       +------+------+     |
              |            |
              v            |
       +-------------+     |    +------------+
       |   运行      +-----+--->|  终止      |
       +------+------+     |    +------------+
              |            ^
              v            |
       +-------------+     |
       |   阻塞      +-----+
       +-------------+

2. 进程调度

调度类型：

长期调度（作业调度）：决定哪些作业进入内存
中期调度：内存与外存之间的进程交换
短期调度（CPU调度）：决定哪个就绪进程获得CPU

常用调度算法：

先来先服务（FCFS）：
- 按到达顺序执行
- 优点：简单
- 缺点：平均等待时间长，可能导致"护航效应"
最短作业优先（SJF）：
- 优先执行预计运行时间最短的进程
- 优点：平均等待时间最短
- 缺点：可能导致长进程饥饿
优先级调度：
- 按优先级高低执行进程
- 可以是抢占式或非抢占式
- 需要解决优先级反转问题
时间片轮转（RR）：
- 每个进程分配固定时间片
- 时间片结束后，进程回到就绪队列末尾
- 优点：公平，响应时间好
- 缺点：时间片设置影响性能
多级反馈队列：
- 结合多种调度策略
- 进程在不同优先级队列间移动
- 是现代操作系统最常用的调度算法

3. 线程

线程：进程内的执行单元，是CPU调度的基本单位。

进程 vs 线程：

特性	进程	线程
资源分配	拥有独立资源	共享所属进程资源
切换开销	大	小
通信方式	进程间通信机制	共享内存
独立性	高	低
崩溃影响	只影响自身	可能影响整个进程

线程实现方式：

用户级线程：
- 由用户空间的线程库管理
- 系统内核不知道线程存在
- 优点：切换开销小
- 缺点：一个线程阻塞会导致整个进程阻塞
内核级线程：
- 由操作系统内核直接管理
- 优点：一个线程阻塞不会影响其他线程
- 缺点：切换开销较大
混合实现：
- 结合用户级和内核级线程的优点
- 如Java的线程模型

4. 进程同步与通信

临界区问题：

临界区：进程中访问共享资源的代码段
进入区：检查是否可以进入临界区
退出区：释放临界区访问权
剩余区：其他代码

解决临界区问题的条件：

互斥：一次只有一个进程能执行临界区
有空让进：无进程在临界区且有进程想进入，则应尽快让其进入
有限等待：进程请求进入临界区后，应在有限时间内进入

同步机制：

信号量：

// P操作（等待）
wait(S) {
    while (S <= 0); // 忙等待
    S--;
}

// V操作（信号）
signal(S) {
    S++;
}

二进制信号量：值为0或1，用于互斥
计数信号量：值为任意非负整数，用于资源计数

互斥锁：
- 简化的二进制信号量
- 通常提供try_lock()避免忙等待
条件变量：
- 与互斥锁配合使用
- 允许线程在条件不满足时等待

经典同步问题：

生产者-消费者问题：

// 共享资源
semaphore mutex = 1;  // 互斥信号量
semaphore empty = N;  // 空缓冲区数量
semaphore full = 0;   // 满缓冲区数量

// 生产者
void producer() {
    while (true) {
        item = produce_item();
        wait(empty);
        wait(mutex);
        insert_item(item);
        signal(mutex);
        signal(full);
    }
}

// 消费者
void consumer() {
    while (true) {
        wait(full);
        wait(mutex);
        item = remove_item();
        signal(mutex);
        signal(empty);
        consume_item(item);
    }
}

读者-写者问题：
- 读者优先：允许多个读者同时读
- 写者优先：写者请求后，新读者不能进入
哲学家进餐问题：
- 解决资源循环等待导致的死锁

三、内存管理

1. 内存管理基础

内存层次结构：

寄存器 → L1 Cache → L2 Cache → 主存(RAM) → 辅存(硬盘)

速度递减，容量递增，成本递减

地址转换：

逻辑地址（虚拟地址）：程序使用的地址
物理地址：实际内存中的地址
地址绑定：将逻辑地址转换为物理地址

2. 内存分配方式

连续分配：

单一连续分配：整个内存只给一个进程
固定分区分配：内存分为固定大小的分区
动态分区分配：
- 首次适应算法：从头开始找第一个满足大小的分区
- 最佳适应算法：找最小的满足大小的分区
- 最坏适应算法：找最大的分区
- 邻近适应算法：从上次查找结束处开始

非连续分配：

分页：
- 将内存和进程分为固定大小的页框/页
- 页表：记录页与页框的映射关系
- 优点：无外部碎片，易于实现共享
- 缺点：有内部碎片
分段：
- 按逻辑单元（代码段、数据段等）划分
- 段表：记录段与内存的映射关系
- 优点：便于共享和保护
- 缺点：有外部碎片
段页式：
- 结合分段和分页
- 先分段，再将段分页

3. 虚拟内存

虚拟内存：使用磁盘空间扩展物理内存的技术。

工作原理：

只将进程的部分内容加载到内存
需要时再从磁盘调入
透明地管理内存与磁盘间的数据交换

页面置换算法：

最佳置换算法（OPT）：
- 替换未来最长时间不会被使用的页面
- 理论最优，但无法实现
先进先出（FIFO）：
- 替换最早装入的页面
- 简单但可能替换常用页面
最近最少使用（LRU）：
- 替换最近最少使用的页面
- 性能较好，但实现开销大
- 常用近似算法：时钟算法
时钟算法（Clock）：
- 用循环链表实现
- 使用访问位标记页面使用情况
- 是LRU的近似实现

抖动问题：

当进程频繁发生缺页时，系统性能急剧下降
解决方法：减少并发进程数，增加物理内存

四、文件系统

1. 文件系统基础

文件：具有符号名的一组相关元素的集合。

文件属性：

名称、类型、位置、大小、保护、时间信息等

文件操作：

创建、删除、读、写、重定位（seek）、截断、设置属性

目录结构：

2. 文件系统实现

文件分配方式：

连续分配：
- 文件占据连续的磁盘块
- 优点：顺序访问快
- 缺点：难以扩展，外部碎片
链接分配：
- 每个块包含指向下一个块的指针
- 优点：易于扩展
- 缺点：随机访问慢
索引分配：
- 使用索引块记录所有块的位置
- 优点：支持随机访问，易于扩展
- 缺点：索引块占用空间

空闲空间管理：

位图法：用位表示块是否空闲
链表法：将空闲块链接起来
分组法：将空闲块分组管理

3. 常用文件系统

FAT32：

早期Windows系统使用
简单但功能有限
最大文件大小4GB

NTFS：

现代Windows系统使用
支持大文件、权限控制、日志功能
支持压缩和加密

ext4：

Linux系统常用
支持大文件、日志功能
性能较好

APFS：

macOS和iOS系统使用
优化闪存性能
支持快照和加密

五、I/O系统

1. I/O系统基础

I/O设备分类：

块设备：以固定大小块为单位传输数据（如硬盘）
字符设备：以字符流方式传输数据（如键盘、鼠标）
网络设备：用于网络通信（如网卡）

I/O控制方式：

程序控制I/O：
- CPU直接控制数据传输
- 效率低，CPU利用率低
中断驱动I/O：
- 设备准备好后向CPU发送中断
- CPU响应中断后处理I/O
- 比程序控制效率高
直接内存访问（DMA）：
- 由DMA控制器直接控制内存和I/O设备间的数据传输
- CPU只需初始化传输
- 适用于大量数据传输

2. I/O软件层次

I/O软件层次结构：

用户层I/O：用户程序接口
设备独立软件层：统一接口、缓冲、分配
设备驱动程序：设备特定代码
中断处理程序：处理设备中断

缓冲技术：

单缓冲：一个缓冲区
双缓冲：两个缓冲区交替使用
循环缓冲：多个缓冲区组成环
缓冲池：统一管理多个缓冲区

高速缓存：

将频繁访问的数据保存在高速存储中
提高I/O性能

六、系统安全与保护

1. 安全基础

安全目标：

机密性：防止未授权访问
完整性：防止未授权修改
可用性：确保授权用户能访问资源

安全威胁：

窃听：未经授权获取信息
篡改：未经授权修改信息
伪装：冒充他人身份
重放：重复发送合法数据
拒绝服务：使系统无法提供服务

2. 访问控制

访问控制矩阵：

行表示主体（用户、进程）
列表示客体（文件、资源）
单元格表示权限

实现方式：

能力表：按行存储访问控制矩阵
访问控制列表（ACL）：按列存储访问控制矩阵

用户认证：

密码：最常见方式
生物识别：指纹、面部识别
多因素认证：组合多种认证方式

七、实用技巧与建议

1. 进程管理实用技巧

减少上下文切换：避免创建过多线程
合理设置优先级：关键任务设置高优先级
避免死锁：
- 按固定顺序获取资源
- 使用超时机制
- 一次性获取所有资源

2. 内存管理实用技巧

减少内存碎片：
- 使用对象池
- 合理选择数据结构
优化虚拟内存使用：
- 避免频繁分配/释放内存
- 大对象使用特殊分配器
监控内存使用：
- Linux：top, free, vmstat
- Windows：任务管理器，性能监视器

3. 文件系统实用技巧

选择合适文件系统：
- 大量小文件：考虑ext4或XFS
- 需要日志：ext4、NTFS
- 闪存设备：F2FS、APFS
优化I/O性能：
- 顺序读写优于随机读写
- 合理使用缓冲
- 避免频繁小文件操作

4. 常见问题排查

问题现象	可能原因	解决思路
系统卡顿	CPU使用率高	检查进程CPU使用情况，优化算法
	内存不足	检查内存使用，优化内存管理
	I/O瓶颈	检查磁盘使用情况，优化I/O模式
应用程序崩溃	内存越界	使用内存检测工具
	资源竞争	检查同步机制，避免死锁
	未处理异常	完善异常处理机制
响应慢	网络延迟	检查网络连接，优化通信
	数据库查询慢	优化查询语句，添加索引
	线程阻塞	检查同步机制，减少锁竞争

八、常用工具速查表

工具	用途	常用命令
`top`/`htop`	进程监控	`top`, `htop`
`ps`	查看进程	`ps aux`, `ps -ef`
`vmstat`	虚拟内存统计	`vmstat 1`
`iostat`	I/O统计	`iostat -x 1`
`lsof`	查看打开文件	`lsof -p PID`
`strace`	系统调用跟踪	`strace -p PID`
`perf`	性能分析	`perf top`, `perf record`
`valgrind`	内存分析	`valgrind --tool=memcheck`