2024全新版 操作系统入门与实践-参透技术本质

2024全新版 操作系统入门与实践-参透技术本质

操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统中的核心软件，它管理计算机硬件资源，提供程序运行的环境，并作为用户与计算机硬件之间的接口。操作系统的主要目标是提高计算效率，简化用户操作，并使计算机系统的使用更加方便和高效。

操作系统的主要功能

1. 进程管理：操作系统负责创建、调度和管理进程，以及处理进程间的同步与通信。
2. 内存管理：操作系统负责分配和管理内存资源，确保每个程序都有足够的内存空间运行，同时提高内存的使用效率。
3. 文件系统管理：操作系统提供文件管理功能，包括文件的创建、删除、读取、写入和权限控制等。
4. 设备管理：操作系统负责管理所有的输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等，通过设备驱动程序与硬件进行交互。
5. 用户界面：操作系统提供用户界面，可以是命令行界面（CLI）或图形用户界面（GUI），以便用户与计算机系统交互。

操作系统的类型

1. 批处理系统：早期的操作系统，用户提交一批作业，系统依次处理。
2. 分时系统：允许多个用户同时使用计算机资源，系统在用户之间快速切换。
3. 实时系统：能够及时响应外部事件的系统，分为硬实时和软实时。
4. 个人操作系统：为个人计算机设计，如Windows、macOS。
5. 网络操作系统：支持网络计算环境，如UNIX、Linux。
6. 分布式操作系统：管理分布在不同地理位置的计算机资源，如Google的Android。

操作系统入门与实践-参透技术本质 - 锁是如何实现

锁（Lock）是一种同步机制，用于控制对共享资源的并发访问，以防止多个线程或进程同时修改同一资源，从而避免数据不一致和竞争条件。锁的实现方式有多种，下面介绍几种常见的锁及其实现原理：

1. 互斥锁（Mutex）

互斥锁是最基本的锁类型，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。互斥锁的实现通常依赖于原子操作和操作系统提供的同步原语。

实现原理：

• 当线程想要访问共享资源时，它首先尝试获取锁。
• 如果锁是可用的（即没有其他线程持有锁），该线程就会成功获取锁，并继续执行。
• 如果锁已被其他线程占用，请求锁的线程将被阻塞，直到锁被释放。
• 当持有锁的线程完成对共享资源的访问后，它会释放锁，允许其他线程获取锁并访问资源。

2. 递归锁（Recursive Lock）

递归锁是一种特殊类型的互斥锁，允许同一个线程多次获取同一个锁。这在递归函数或可重入代码块中非常有用。

实现原理：

• 递归锁内部维护一个计数器，记录锁被当前线程获取的次数。
• 当线程第一次获取锁时，计数器增加。
• 每次线程再次获取同一个锁时，计数器再次增加。
• 当线程释放锁时，计数器减少。只有当计数器归零时，锁才真正被释放，其他线程才有机会获取锁。

3. 读写锁（Read-Write Lock）

读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入。这种锁在读多写少的场景下提高了性能。

实现原理：

• 读写锁维护两个独立的锁：一个用于读取（读锁），另一个用于写入（写锁）。
• 当多个线程尝试获取读锁时，它们可以同时持有读锁，但不允许获取写锁。
• 当一个线程尝试获取写锁时，它会阻塞所有等待的读锁和写锁。
• 一旦写锁被释放，等待的读锁可以按照一定的策略（如先到先服务）获取锁。

4. 自旋锁（Spinlock）

自旋锁是一种用于多核处理器上的锁，当线程尝试获取锁时，如果锁不可用，它会在一个循环中不断检查锁的状态，而不是进入睡眠状态。

实现原理：

• 自旋锁通常用于锁持有时间非常短的情况。
• 当线程尝试获取锁时，如果锁被占用，它会在一个忙等待循环（spin loop）中不断检查锁是否已释放。
• 一旦锁被释放，忙等待的线程会立即获取锁并继续执行。
• 自旋锁减少了线程上下文切换的开销，但在等待锁的过程中可能会消耗较多的CPU资源。