操作系统（OS）是管理计算机硬件资源，为上层软件提供服务的系统软件。 硬件本身只会执行二进制指令，没有操作系统，应用软件完全无法工作。
学习顺序：先学习通用操作系统理论（不分Windows/Linux），再落地Linux实操。 核心四大模块：进程管理、内存管理、文件系统、IO管理，这四块是所有操作系统的骨架，也是面试、后续学习网络、编程、运维的底层基础。

2.1.1 通用操作系统核心原理

一、进程与线程（最高频、最重要）

1.进程 Process

进程：操作系统进行资源分配的最小单位。 一个程序被加载到内存运行之后就变成进程。

  • 每个进程拥有独立内存空间、文件描述符、CPU时间片等资源。
  • 进程之间相互隔离，A进程不能随便读写B进程的内存，防止程序互相破坏。
    进程完整生命周期：
  1. 创建：操作系统创建新进程，分配内存、PID进程号。
  2. 就绪态：资源准备好了，等待分配CPU时间。
  3. 运行态：CPU正在执行该进程的指令。
  4. 阻塞态（等待）：进程等待某些事件，比如等待磁盘读文件、等待网络数据，让出CPU。
  5. 终止：程序退出，操作系统回收内存、文件等全部资源。

PID：进程唯一编号，操作系统靠PID区分不同进程。

2.线程 Thread

线程：CPU调度执行的最小单位，也叫轻量级进程。 一个进程内部可以包含一个或者多个线程。

  • 同一个进程里面所有线程共享这个进程的内存、文件句柄等资源。
  • 每个线程拥有自己独立栈、寄存器，CPU可以轮流调度线程执行任务。

通俗举例： 打开浏览器（1个进程），浏览器里面：一个线程渲染网页，一个线程下载图片，一个线程响应用户鼠标点击。 多个线程并行干活，这就是多线程。

进程与线程核心对比

  1. 进程之间资源完全隔离；同一个进程内线程共享资源。
  2. 创建进程开销大（要分配整套内存资源）；创建线程开销很小。
  3. 一个进程崩溃，默认不会影响其他进程；一个线程崩溃，整个所属进程直接崩溃。

并发与并行

  • 并行：多个CPU核心，同一时刻真正同时执行多个任务。
  • 并发：单个CPU核心，操作系统快速切换多个任务的时间片，宏观看起来好像同时运行，微观上是交替执行。

    操作系统的CPU调度器，就是专门做任务切换的。

上下文切换

CPU从一个进程/线程切换到另一个进程/线程，需要保存当前寄存器、栈等现场，加载下一个任务现场，这个操作叫上下文切换。

上下文切换会消耗CPU资源，切换太频繁，系统性能下降。

二、内存管理

操作系统负责统一管理物理内存(RAM)，给各个进程分配内存，回收不用的内存。 核心概念：物理内存、虚拟内存、栈、堆、内存泄漏、内存溢出

  1. 物理内存：真实内存条硬件，实实在在的内存空间。
  2. 虚拟内存（虚拟地址空间）

非常关键：每一个进程看到的都是独立虚拟地址，不是直接访问物理内存。 操作系统通过MMU内存管理单元，把虚拟地址映射到真实物理内存。 好处： ① 进程之间地址隔离，A进程无法访问B进程内存； ② 可以使用磁盘空间充当内存后备（交换分区swap）。
Swap交换分区（Windows叫虚拟内存页面文件）： 把硬盘一部分空间拿出来，当做内存应急。物理内存不够的时候，把暂时不用的数据写到硬盘swap；需要的时候再读回内存。 ⚠️硬盘速度远慢于内存，大量使用swap，系统会非常卡顿，swap不能替代物理内存。

  1. 进程内部内存划分：栈(stack)、堆(heap)
  • 栈Stack：自动分配自动释放，存放局部变量，空间很小，速度快。函数调用就使用栈。栈溢出会直接程序崩溃。
  • 堆Heap：程序手动申请、手动释放的大块内存，用来存放大量数据。
  1. 内存泄漏 Memory Leak 程序申请堆内存，使用完毕之后，没有释放。程序不断运行，内存越吃越多，最终占满内存。进程重启之后泄漏消失。
  2. 内存溢出 OOM 内存不够用，无法再分配新内存。操作系统会杀掉部分进程释放内存，Linux下OOM killer。

简单区分： 内存泄漏：只占不还，越跑越吃内存； 内存溢出：已经没有内存可以分配。

三、文件管理

操作系统把磁盘上所有数据抽象成文件，提供统一的文件访问接口。

  1. 文件：普通文本、图片、程序二进制，全部是文件。
  2. 目录（文件夹）：用来组织文件，形成树形目录结构。Linux一切皆文件。
  3. 文件元数据：文件大小、创建时间、权限、所有者，不是文件内容，是文件属性。
  4. 文件权限：控制哪些用户可以读、写、执行文件。
  • 读r：读取文件内容
  • 写w：修改删除
  • 执行x：可以运行这个程序

重要：文件只是保存在磁盘。当程序要读取文件，操作系统把磁盘数据加载到内存，程序才能操作内容。
文件描述符：进程打开一个文件，操作系统返回文件描述符编号，程序后续读写文件就用这个编号。进程打开文件数量有上限。

四、IO管理（输入输出）

IO：输入输出，磁盘读写、网卡收发数据、键盘鼠标都属于IO。 CPU速度远远快于磁盘、网卡外设。如果CPU傻傻等待IO完成，CPU会大量空闲浪费。

  1. 阻塞IO：发起IO请求，程序卡住，什么都不干，一直等到IO完成才继续往下执行。

例子：程序读取大文件，等待硬盘读完，这期间线程阻塞。

  1. 非阻塞IO：发起IO，不会卡住程序；如果数据还没准备好，直接返回，程序可以去做别的事情，之后再来检查IO状态。

拓展概念（了解即可）：IO多路复用 select/poll/epoll，高并发网络服务底层依赖。

五、内核态与用户态（安全模型）

CPU硬件提供两种权限级别，用来做安全隔离。

  1. 内核态：操作系统内核运行于此。权限最高，可以直接操作全部硬件、访问全部内存。
  2. 用户态：普通应用软件运行在这里。不能直接操作硬件，不能随便访问其他进程内存。

应用软件想要读写硬盘、收发网络数据包，不能直接操作硬件，必须发起系统调用(System Call)，CPU切换进入内核态，由操作系统内核完成硬件操作，完成之后切回用户态把结果返回程序。
好处：就算应用软件出bug，也不能直接破坏硬件和其他进程，保护系统稳定。
举例：记事本保存文件 记事本（用户态） → 发起系统调用 → 切换内核态，内核操作硬盘写入数据 → 返回结果回到用户态。

2.1.2 Linux系统实操基础（必练）

理论看懂之后，必须实操，推荐使用虚拟机安装Ubuntu。

Windows也有进程、虚拟内存、权限，但是Windows把很多细节隐藏，学习底层优先Linux。

1.目录结构

Linux是树形目录，根目录/，没有C盘D盘概念。

  • /bin：基础可执行命令
  • /etc：系统配置文件
  • /home：普通用户家目录
  • /proc：虚拟文件系统，存放进程、系统实时信息（查看进程，内存信息）
  • /var：日志、缓存数据

2.高频基础命令

文件目录操作

cd       #切换目录
ls       #列出目录文件
pwd      #查看当前路径
mkdir    #创建文件夹
rm       #删除文件/目录
cp       #复制
mv       #移动重命名
cat less #查看文件内容
chmod    #修改文件权限
chown    #修改文件所有者

进程查看（对应进程理论）

ps aux        #查看全部进程，看到PID、内存CPU占用
top / htop    #实时监控进程状态，可以看到进程运行、阻塞
kill PID      #终止进程

查看端口、日志

netstat / ss     #查看端口，哪些进程在监听端口
dmesg            #系统内核日志

3.环境变量

环境变量是系统给进程传递的全局参数。PATH最重要：系统查找命令的路径。输入命令，操作系统就在PATH目录里面寻找对应可执行程序。

4.用户与权限

  • root超级管理员，最高权限；普通用户权限受限。
  • 文件权限 r w x；
  • 很多操作需要sudo提升权限，模拟管理员。

实操思考题：

  1. 执行ps aux，观察同一个程序可以多个PID（多个进程）；
  2. top命令观察内存占用，理解虚拟内存swap。

本阶段实操任务

  1. 在虚拟机搭建Linux环境，熟练敲上面20条左右基础命令；
  2. 使用ps、top观察进程状态，看懂进程PID、CPU、内存占用；
  3. 练习修改文件权限chmod，理解r w x权限作用；
  4. 梳理思维导图：进程五种状态、虚拟内存、用户态内核态、swap交换分区。

重点总结（必须掌握）

  1. 进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位；进程隔离，线程共享进程资源。
  2. 进程生命周期：创建、就绪、运行、阻塞、终止；上下文切换。
  3. 虚拟内存：每个进程独立虚拟地址，swap磁盘充当内存应急，不能替代物理内存。分清栈、堆；内存泄漏 vs OOM。
  4. 用户态不能操作硬件，依靠系统调用切换内核态完成硬件操作。
  5. 文件权限r w x；IO阻塞、非阻塞基础概念。
  6. Linux熟悉目录结构，掌握进程查看、文件操作基础命令。

初学者不需要深挖

不用啃Linux内核源码，不用深究MMU硬件细节，不用啃epoll源码。先搞懂逻辑，后续再深入。
如果你需要，我可以给这一章配套一套练习题（选择、简答）。