1. 操作系统基础

什么是操作系统？

通过以下三点可以概括操作系统
1. 操作系统(Operating System，简称OS)本质上是运行在计算机上的软件程序，主要管理计算机软硬件资源
2. 操作系统存在屏蔽了硬件层的复杂性
3. 操作系统的内核(Kernel)是操作系统的核心部分
  他负责系统的内存，硬件设备，文件系统，应用程序的管理。
  内核是连接应用程序和硬件的桥梁，决定着系统的性能和稳定性
操作系统内核(Kernel) 和中央处理器(CPU) 的区别
- CPU主要提供运算，处理各种命令的能力。
- 内核(Kernel) 主要负责系统管理，比如内存管理，他屏蔽了对硬件的操作

2. 用户态，内核态

什么是用户态和内核态

根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别
- 用户态(User Mode)：用户态的进程可以直接读取用户程序的数据，有较低的权限
  当应用程序需要执行某些特殊操作，比如读写磁盘，网络通讯，就需要向OS发起系统调用请求，进入内核态
- 内核态(Kernel Mode)：内核态的进程拥有非常高的权限，可以访问任何资源，内存空间，设备，驱动程序等。
  OS接受进程的系统调用请求后，线程就会从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用，并将结果返回给进程，最后从内核态切换到用户态。

只有内核态不行吗

两个状态的设计为了安全与稳定
- CPU会有一些比较危险的指令，比如内存分配，IO处理，我们需要限制这些危险指令只能内核态运行。这些只能由操作系统内核态执行的指令也被叫做特权指令。

用户态切换到内核态的三种方式

系统调用(Trap)：最主要的方式，是应用程序主动发起的
举个例子：
我们的程序需要读取一个文件或发送网络数据
但是无法直接操作磁盘或网卡
所以调用了OS提供的接口(如read(),send())，这样会将用户态转化为内核态
中断(Interrupt)：是被动的，由硬件触发
举个例子：
硬盘完成数据读取会给CPU发送一个中断信号
CPU会暂停当前用户态程序，切换到内核态去处理这个中断
异常(Exception)：也是被动的，由程序自身错误引起
举个例子
我们的代码执行了一个除以0的操作
CPU捕获了这个异常
用户态会切换到内核态去处理

基本状态：就绪（已具备运行条件，等待CPU）、运行（占用CPU执行）、阻塞（等待某事件，如I/O）。

转换关系：

死锁：多个进程因竞争资源而互相等待，无法继续推进。

必要条件：
1. 互斥：资源一次只能被一个进程占用。
2. 保持并等待：进程持有资源并等待其他资源。
3. 不剥夺：已分配的资源不能被强制剥夺。
4. 循环等待：存在进程资源的循环等待链。

避免死锁：通过算法（如银行家算法）分配资源，确保系统处于安全状态。

预防策略：

没有虚拟内存的问题
没有虚拟内存，程序直接访问或操作的都是物理内存，会造成很多问题

硬链接：多个目录项指向同一个inode，文件删除需所有链接删除，不能跨文件系统，不能链接目录。

软链接（符号链接）：是一个特殊文件，存储指向另一文件或目录的路径，可跨文件系统，可链接目录，原文件删除后链接失效。

一种IO优化技术，避免CPU在用户态和内核态之间多次复制数据
通过DMA直接将数据从磁盘或网络传输到目标缓冲区，或利用页表映射共享内存，减少上下文切换和数据拷贝，提升性能