D42. 操作系统 进程 线程

2.1. Windows、Linux、macOS 是常见的桌面操作系统

操作系统是计算机的“管家”，管理硬件资源并为应用程序提供运行环境。

三大主流操作系统对比

操作系统	内核类型	特点与典型场景
Windows	单内核	广泛用于个人电脑和企业环境
Linux	微内核（模块化）	开源系统，服务器和嵌入式设备首选
macOS	XNU混合内核	苹果设备专用，开发者工具友好

核心功能

• 资源管理：分配CPU、内存、外设等硬件资源。
• 进程调度：决定哪个程序优先使用CPU。
• 文件系统：管理文件存储与访问权限。

graph LR
    OS[操作系统] --> Hardware[硬件]
    OS --> Process[进程]
    OS --> File_System[文件系统]
    OS --> User_Interface[用户界面]

TIP

Linux的开源特性使其成为服务器和开发者的首选，而Windows的图形界面更易上手。

2.2. Unix 系统的路径命名

Unix系统（如Linux和macOS）使用正斜杠 / 分隔路径，路径名区分大小写。

路径类型

1. 绝对路径：从根目录 / 开始的完整路径。

   /home/user/documents/report.txt

2. 相对路径：相对于当前目录的路径。

   ../downloads/photo.jpg

关键概念

• 根目录：/ 表示文件系统的顶层目录。
• 当前目录：. 表示当前目录，.. 表示父目录。
• 符号链接：类似Windows的快捷方式，用 ln -s 创建。

WARNING

Windows路径使用反斜杠 \，与Unix路径冲突！在跨平台编程时需注意转换。

2.3. 操作系统的不同导致兼容性问题

不同操作系统间的差异可能导致程序无法运行，需通过适配或虚拟化解决。

常见兼容性问题

1. 文件路径分隔符：

   # Windows路径：'C:\\Program Files\\app\\data.txt'
   # Linux路径：'/usr/local/app/data.txt'

2. API差异：如Windows的注册表与Linux的配置文件管理方式不同。
3. 依赖库缺失：如Windows缺少某些Linux特有的系统调用。

解决方案

• 跨平台框架：如Python的 os.path 模块自动处理路径格式。
• 虚拟机/容器：通过Docker或VirtualBox模拟目标环境。
• 编译适配：如C/C++的 #ifdef 宏处理不同系统代码。

例：Python中跨平台路径处理

import os
file_path = os.path.join("folder", "file.txt")  # 自动适配斜杠方向

2.4. 操作系统提供程序运行的环境

程序运行前，操作系统会为其分配资源并创建进程。

进程的诞生

1. 程序 vs 进程：
   • 程序：静态的代码文件（如 calculator.exe）。
   • 进程：程序的动态实例，拥有独立内存空间和资源。
2. 进程生命周期：

   graph LR
       A[创建] --> B[运行]
       B --> C[阻塞]
       C --> D[终止]

关键资源

• 内存：为进程分配独立的地址空间。
• CPU时间片：通过调度算法分配执行时间。
• 文件句柄：管理进程对文件的访问权限。

TIP

进程间通信（IPC）需通过共享内存、管道等机制，因内存隔离而无法直接访问彼此数据。

2.5. 每个程序至少开启一个具有独立内存的进程

进程是操作系统分配资源的最小单位，每个进程都有自己的“独立王国”。

进程的特性

特性	描述
独立内存	每个进程拥有专属的堆栈和全局变量
资源隔离	一个进程崩溃不影响其他进程
开销较大	创建和切换进程消耗更多CPU和内存

多进程优势

• 稳定性：浏览器标签常以独立进程运行，避免崩溃连锁反应。
• 资源隔离：后台程序（如杀毒软件）与前台应用互不干扰。

// Node.js中创建子进程示例
const { fork } = require('child_process');
const child = fork('worker.js');
child.on('message', (msg) => console.log('Received:', msg));

2.6. 每个进程可以开启多个能够并行执行的线程

线程是进程内的“轻量级工作者”，共享内存但需协调避免冲突。

线程与进程对比

特性	进程	线程
内存	独立内存空间	共享进程内存
切换开销	高（需切换地址空间）	低（共享内存，仅切换寄存器）
并发性	真正并行（多核CPU）	依赖CPU调度（可能存在伪并行）

线程协作的挑战

• 竞态条件：多个线程同时修改共享数据导致结果不可预测。
• 死锁：线程互相等待资源导致僵局。

例：Python多线程与多进程

# 多线程（共享内存，受GIL限制）
import threading
def worker():
    print("Thread working...")
thread = threading.Thread(target=worker)
thread.start()

# 多进程（独立内存，突破GIL）
import multiprocessing
def worker():
    print("Process working...")
process = multiprocessing.Process(target=worker)
process.start()

2.7. 并行数量取决于 CPU 核心数和线程数

真正的并行需依赖多核CPU，而线程数超过核心数时会通过时间片轮转实现“伪并行”。

关键概念

• CPU核心：物理上独立的执行单元，可同时处理线程。
• 超线程技术：通过模拟逻辑核心提升并发能力（如4核8线程）。
• 全局解释器锁（GIL）：Python等语言限制多线程并行（仅单线程执行）。

性能优化原则

1. 计算密集型任务：优先使用多进程（突破GIL限制）。
2. IO密集型任务：多线程效率更高（等待IO时切换线程）。

graph LR
    A[4核CPU] --> B[最多4线程真正并行]
    B --> C[超过4线程时需调度]

TIP

使用htop或任务管理器观察CPU核心和线程的占用情况。

知识回顾

1. 操作系统管理硬件资源，主流系统包括Windows、Linux和macOS。
2. Unix路径使用正斜杠 /，Windows使用反斜杠 \，需注意兼容性。
3. 进程是资源分配的最小单位，线程是进程内的轻量级执行单元。
4. 多线程共享内存但需避免竞态条件，多核CPU决定并行线程上限。

课后练习

1. （单选）以下哪个路径格式是Windows特有的？

   • A. /home/user/file.txt
   • B. C:\Program Files\app\file.txt
   • C. ~/Documents/report.md
   • D. /var/log/system.log

2. （简答）解释“进程”与“线程”的区别，并举例说明适用场景。

3. （计算）假设某CPU有2个物理核心，支持超线程技术，最多可同时运行多少个线程？

参考答案

1. B
2. 进程：独立内存空间，适合高隔离任务（如浏览器标签）。线程：共享内存，适合协作任务（如多任务下载）。
3. 4（2核×2线程/核）

扩展阅读

• 操作系统原理（五层模型）
• Python GIL详解