操作系统核心知识

操作系统是 Android 开发的底层基础。本章汇总进程与线程、死锁、内存管理、虚拟内存、进程调度等核心概念。

一、进程与线程

关系：

• 一个进程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的线程可以并发执行。
• 进程是资源分配的基本单位，线程是 CPU 调度的基本单位。
• 同一进程中的多个线程共享进程的内存空间，因此线程之间不存在"通信"问题，因为它们本来就共享同一片内存。

线程间的制约关系

制约类型	说明
直接制约（同步关系）	一个线程的处理结果是另一个线程的输入，线程之间直接制约
间接制约（互斥访问）	两个线程访问同一资源，该资源同一时刻只能被一个线程访问。某种意义上互斥是一种制约关系更小的同步

二、进程的几种状态与转换

进程的基本状态：

1. 就绪态（Ready）： 已具备运行条件，等待分配 CPU。
2. 运行态（Running）： 占用 CPU 正在运行。
3. 阻塞态（Blocked）： 等待某事件（如 I/O 完成）而暂时无法运行。

状态转换：

• 就绪 → 运行：进程被调度程序选中，分配 CPU。
• 运行 → 就绪：时间片用完，或被更高优先级进程抢占。
• 运行 → 阻塞：进程请求 I/O 或等待事件。
• 阻塞 → 就绪：等待的事件完成，进入就绪队列。

三、死锁

死锁的必要条件（四个同时满足）：

条件	说明
互斥条件	资源同一时刻只能被一个进程使用
请求与保持条件	进程已持有资源，又请求新的资源而被阻塞，且不释放已持有的资源
不可剥夺条件	进程已获得的资源在未使用完之前不能被强行剥夺
循环等待条件	若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系

死锁的处理方法：

1. 预防死锁： 破坏四个必要条件之一，如资源一次性分配（破坏请求与保持）、可剥夺资源（破坏不可剥夺）、资源有序分配（破坏循环等待）。
2. 避免死锁： 使用银行家算法，在资源分配前判断系统是否处于安全状态。
3. 检测与解除： 允许死锁发生，通过资源分配图检测，然后采用资源剥夺、撤销进程等方式解除。

四、内存管理方式

管理方式	原理	特点
段式存储	按程序的逻辑结构分段（代码段、数据段、栈段等）	便于程序的模块化与共享，段长可变，易产生外部碎片
页式存储	将内存和逻辑地址空间划分为固定大小的页	无外部碎片，有内部碎片，通过页表映射
段页式存储	先分段再分页	兼具两者优点：逻辑清晰且无外部碎片

五、虚拟内存

什么是虚拟内存？

虚拟内存是操作系统内存管理的一种技术：它把物理内存与逻辑地址空间分离，使得每个进程都拥有独立的、连续的地址空间，大小可以超过物理内存。当程序访问的页面不在内存中时，通过缺页中断将所需页面从磁盘换入。

逻辑地址与物理地址的区别：

对比项	逻辑地址	物理地址
定义	CPU 生成的地址，进程视角的地址	内存单元的真实地址
特点	与物理内存无关，需要地址转换	加载到内存寄存器中的地址
转换	通过 MMU + 页表/段表转换	直接寻址

六、进程调度算法

调度算法	原理	特点
先来先服务（FCFS）	按到达顺序调度	简单，但不利于短作业
短作业优先（SJF）	优先调度运行时间短的	平均等待时间短，可能饿死长作业
时间片轮转（RR）	按时间片轮流调度	响应快，适合分时系统
优先级调度	按优先级高低调度	高优先级先执行，低优先级可能饿死
多级反馈队列	多个就绪队列，优先级递减、时间片递增	兼顾响应时间与吞吐量，现代操作系统常用

七、Linux 下的 IPC 通信方式

方式	特点	适用场景
管道（pipe）	半双工，数据单向流动，仅限有亲缘关系（父子）进程间通信	简单字节流传输
命名管道（named pipe）	克服管道无名字限制，允许无亲缘关系进程通信，文件系统中有对应文件名（mkfifo）	无亲缘进程通信
信号（signal）	通知接收进程有某种事件发生，也可发送信号给进程本身	事件通知
消息队列	消息的链接表，克服信号承载信息少、管道只能承载无格式字节流等缺点	有格式消息传递
共享内存	多个进程访问同一块内存，最快的 IPC 形式，常与信号量结合使用实现同步互斥	大量数据快速交换
内存映射	进程把共享文件映射到自己的进程地址空间	文件共享
信号量（semaphore）	主要用于进程间及同一进程不同线程间的同步	同步与互斥
套接字（Socket）	最一般的 IPC 机制，可用于不同机器之间的进程间通信	跨网络通信