一、行程
行程與程式
作業系統之中最為通用的概念就是「行程」，與此相關的面試題以及各種技術優化策略也層出不窮，足以夠證明它對于理解作業系統中舉足輕重的地位，事實上，通過「行程」，程式員可以更為直觀的理解自己所開發的軟體，并且能夠從中深刻的認識到作業系統在軟體運行做了些什么，
簡單來講，行程就是正在執行的程式，每個行程都包含有屬于自己的一段地址空間，可以看作是一部分記憶體空間，在這樣的地址空間中，行程能夠根據需要進行記憶體的讀寫，
地址空間里面一般包含可執行程式，以及對應程式的資料及其堆疊，與每個行程相關的還有一組資源，通常包括暫存器（包括程式計數器和堆疊指標）以及運行程式所需的所有其他資訊，從這可以看出，程式本身只是指令、資料以及其組織形式的一種描述方式，而程式的實際的運行實體就是一個行程，
不過行程與程式也并不完全等同，他們不是簡單的一一對應的關系，而是在不同層面的表現形式，他們的主要區別在于：
- 程式是行程的靜態文本，而行程是執行程式的動態程序；
- 行程與程式不是一一對應，同一程式可在不同行程中運行，一個行程也可以執行多個程式；
- 程式是一種長期可保存的文本，行程是暫時的一次執行程序；
- 行程是作業系統分配調度的獨立單位，而程式是作業系統層級之上的應用程式，
行程狀態
從上面我們知道，行程可看作是程式運行的動態程序，那么為了更好的對行程進行描述，我們給運行中的行程定義了三種基本狀態，包括就緒、執行和阻塞，
這就是所謂的三態模型，描述了行程在整個運行周期中狀態變化，每個狀態的轉移程序可以通過下圖來表示，
就緒狀態 是指行程已經被分配到了所有必需的資源，除了CPU，在這個狀態下，行程處于箭在弦上隨時待發的狀態，只要一獲得CPU的執行權限，行程便會立刻執行，從而進入執行狀態，
當有多個處于就緒狀態的行程時，不同的行程會根據優先級被劃分入不同的佇列，一個因為時間片用完而進入就緒狀態的行程會被劃分入低優先級佇列，而因為I/O操作完成而進入就緒狀態的行程，則會被劃分入高優先級佇列，
執行狀態 是指行程正常運行的狀態，而當處于執行狀態的行程由于需要等待某個事件發送（通常為等待I/O）時，就會放棄CPU，從而進入暫時的阻塞狀態，CPU這時一旦空出，通過不同的調度演算法，CPU又會被分配給另一個就緒行程，
阻塞狀態 相當于就緒狀態和執行狀態的一個緩沖狀態，當處于執行狀態的行程無法正常執行時，會先進入阻塞狀態，等待需要的請求執行完成，再回到就緒狀態，等待下一次的CPU分配和執行，
三態模式是用來描述行程狀態轉移最為精簡的模型，實際上光這三種狀態是無法處理復雜的行程運行程序的，所以為了對行程進行更好的管理和調度，在三態模型的基礎上引入了兩種行程狀態，即創建狀態和終止狀態，這就有了五態模型，
創建狀態 是指行程剛剛創建的狀態，在這個狀態下，需要等待作業系統完成創建和分配行程的各種所需資訊，包括建立PCB（Process Control Block）、加載程式并創建地址空間等，在完成這些準備作業后，該行程的狀態就會轉移為就緒狀態并劃分入就緒佇列中，
PCB：行程控制塊，用于存放行程的管理和控制資訊的資料結構
創建狀態看起來好像沒什么太多用處，畢竟行程就緒的時候肯定完成了創建，但是之所以還是要引入，還是為了確保行程控制塊的完整，只有在創建狀態完成了行程完整的準備作業（PCB生成創建及資源分配），才能進入就緒狀態，
這樣就保證了處于就緒狀態行程的正確性，同時也提升了作業系統對行程的管理的靈活性，作業系統可以從一開始就對行程的創建和資源分配進行管理，更大程度上節省了系統資源的調控，
終止狀態 代表著行程的結束，當行程執行完成后，需要作業系統在終止狀態對行程的運行結果進行善后處理，這樣的善后處理包括對行程所使用的資源進行回收，并將其它行程所需要的資訊傳遞出去，最后，作業系統還需要對終止的行程進行記憶體釋放，將其PCB中的內容清空，并將這部分記憶體返還給系統，
終止狀態意味著行程的執行周期的結束，但卻并不表示行程是正常結束的，當一個行程出現了無法預知的錯誤或者被作業系統或其它行程所終止時，它都會進入終止狀態，進行各種資源的回收，
事實上即使是行程的五態模型也不足以用來描述行程復雜的運行程序，由于系統內部資源的限制，并不是為所有行程運行的要求都能夠滿足，因此在這個基礎上，又引入了行程的掛起就緒狀態以及對應的掛起阻塞狀態，
在七態模型中，活躍就緒是指行程在主存并且可被調度的狀態，而靜止就緒狀態是指就緒行程被對換到輔存時的狀態，它是不能被直接調度的狀態，只有當主存中沒有活躍就緒態行程，或者是掛起態行程具有更高的優先級時，系統才會把掛起就緒態行程調回主存并轉換為活躍就緒狀態，
活躍阻塞狀態是指行程在主存，一旦等待的事件產生便會進入活躍就緒狀態，靜止阻塞是指阻塞行程對換到輔存時的狀態，一旦等待的事件產生便進入靜止就緒狀態，
行程相關的知識點實在是太多了，包括PCB、行程間通信以及和執行緒相關的概念和基礎都是非常重要的知識，但是由于這篇文章的篇幅限制，不好在這里過多展開，
只是點到為止的介紹執行緒的狀態模型，具體行程和執行緒的內容將會在之后幾篇文章中詳細展開介紹，
之所以花大力氣來介紹執行緒模型，只因為這是執行緒跟作業系統關系最為直觀的聯系所在，
不斷優化執行緒模型的目的就是為了使得作業系統能夠更好的去管理程式軟體和資源分配的問題，
通過對執行緒的管理來達到資源合理調配的目的，這本身也就是作業系統作用的重要體現之一，可謂是作業系統的第一大靈魂概念，
二、地址空間
地址空間的概念在行程的介紹中略有提及，實際上也與行程有不可分割的關系，一般上的理解上，每個行程擁有其對應的地址空間，存盤著該行程用于程式運行時所需的資訊和資料，
我們知道，每臺計算機都有一些主記憶體，用于保存正在執行的程式，在一個非常簡單的作業系統中，一次只有一個程式在記憶體中運行，要運行第二個程式，必須洗掉第一個程式，然后將第二個程式放在記憶體中，
更復雜的作業系統就能夠解決這樣的問題，它們可以允許多個程式同時存盤在記憶體中，同時為了防止它們相互干擾（以及與作業系統之間的串擾），會采取某種一般存在于硬體中的保護機制，
通常，每個行程都有其可以使用的一組地址，通常從0到某個地址最大值，在最簡單的情況下，行程具有的最大地址空間量小于主存盤器的總容量，這樣，行程可以填滿它的地址空間，并且在主記憶體中也有足夠的空間容納這些資訊，
但是，如果某個行程的地址空間大于計算機的主記憶體，并且該行程想全部使用它，該怎么辦？
在最初的計算機中，這樣的要求是十分過分的，而如今，好在有一種稱為虛擬記憶體的技術，作業系統能夠將地址空間抽象化為行程可以參考的地址集，從而使得地址空間與計算機的物理記憶體分離，這樣一來，行程的地址空間就有可能大于計算機的物理記憶體，
地址空間和物理記憶體的管理是作業系統功能的重要組成部分，同樣也是深入理解作業系統進/執行緒管理的基礎，
三、檔案
幾乎所有作業系統都支持的另一個關鍵概念就是檔案系統，作業系統的主要功能是隱藏磁盤和其他I/O設備的特性，并為程式員提供一個與設備或硬體無關的檔案的簡潔漂亮的抽象模型，
顯然需要通過作業系統的呼叫來創建檔案，洗掉檔案，讀取檔案和寫入檔案，在讀取檔案之前，必須先將其放在磁盤上并打開，在讀取檔案后應將其關閉，以便能夠提供呼叫來執行這些操作，
層次結構
為了提供存放以及找到檔案的位置，大多數PC作業系統都具有目錄的概念，該目錄是將檔案分組在一起的一種方式，目錄是以檔案夾的形式進行展現，可以在檔案夾中嵌套多個目錄，
整個檔案系統的模型是一個層次結構，就像是一顆多叉樹，從最頂層的檔案夾依次以樹干、樹枝的形式進行查找，就可以搜索到最底部的檔案目錄，
目錄層次結構中的每個檔案都可以通過在目錄層次結構的頂部（根目錄）給出其路徑名來指定，這樣的絕對路徑名包含必須從根目錄遍歷才能到達檔案的目錄串列，并用斜杠分隔各個組件，
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每個行程都會有一個當前的作業目錄，在該目錄中查找不以斜杠開頭的路徑名，這就是所謂的相對路徑，此外，行程可以通過發出指定新作業目錄的系統呼叫來更改其作業目錄，
需要注意的一點是，在讀寫檔案之前，必須先打開該檔案，然后再檢查權限，如果允許訪問，系統將回傳一個稱為檔案描述符的小整數，以用于后續操作，如果禁止訪問，則回傳錯誤代碼，
掛載
在作業系統的檔案系統中，另一個重要概念就是掛載，大多數臺式計算機都有一個或多個光碟驅動器，可以在其中插入CD-ROM，DVD和光碟，（下面以Unix系統為例進行介紹）
這些計算機以外的光碟驅動器實際上都可看作是一個檔案系統，并且與計算機本身硬碟上的根檔案系統是相互獨立，彼此無關的，為了提供一種優雅的方式來處理這些可移動介質，作業系統允許將光碟上的檔案系統附加到根檔案系統的主樹上，這就是掛載，
但是，由于無法在CD-ROM上指定路徑名，因此無法使用該檔案系統，UNIX不允許使用驅動器名稱或數字作為路徑名的前綴，這是作業系統應該消除的對于設備的依賴性，取而代之的是，系統呼叫允許CD-ROM上的檔案系統附加到根檔案系統，
在下圖中，CD-ROM上的檔案系統已安裝在目錄b中，因此可以訪問檔案/b/x和/b/y，如果目錄b包含其它檔案，則在安裝CD-ROM時將無法訪問它們，因為/b將參考CD-ROM的根目錄，不過一般而言，檔案系統幾乎總是掛在空目錄上，如果系統包含多個硬碟，它們也都可以掛載到單個樹中，
專用檔案
檔案系統中的另一個重要概念是專用檔案，提供專用檔案的作用是為了使I/O設備看起來像檔案，這樣，可以使用與讀寫檔案相同的系統呼叫來讀寫它們，
存在兩種專用檔案：塊特殊檔案和字符特殊檔案，塊特殊檔案用于對設備進行建模，這些設備由一組可隨機尋址的塊（例如磁盤）組成，通過打開一個塊專用檔案并讀取進行，這樣一來程式就可以直接訪問設備上相應的塊，而無需考慮其上包含的檔案系統的結構，
同樣，字符專用檔案可用于對列印機，調制解調器和其他接受或輸出字符流的設備進行建模，按照慣例，特殊檔案保存在/dev目錄中，例如，dev/lp可能是列印機（曾經稱為行式列印機），
除此之外，還有一個特殊的檔案，就是管道，沒錯，就是用來行程間通信的那個，事實上，管道是一種偽檔案，可用于連接兩個行程，如果行程A和B希望使用管道進行通話，則必須提前進行設定，
當行程A想要將資料發送到行程B時，它將寫在管道上，就好像它是輸出檔案一樣，實際上，管道的實作與檔案的實作非常相似，行程B可以通過從管道讀取資料來讀取資料，就像它是輸入檔案一樣，
因此，行程之間的通信非常類似于普通檔案的讀寫，更強大的是，當行程發現正在寫入的輸出檔案不是真正的檔案，而是管道時，就會進行特殊的系統呼叫，當然具體的實作這里就不展開了，之后在講行程間通信時再詳細介紹，持續關注，識訓更多哦～
四、輸入/輸出
所有計算機都具有用于獲取輸入和產生輸出的物理設備，這就是所謂的I/O，畢竟，如果用戶在完成要求的作業后不知道該怎么辦并且無法獲得結果，那么計算機將有什么用？
現代計算機中存在多種輸入和輸出設備，包括鍵盤，滑鼠，顯示幕，列印機等，這些設備都是由作業系統進行管理和資源的分配，
因此，每個作業系統都有一個I/O子系統來管理其I/O設備，某些I/O軟體與設備無關，也就是說，它們同樣適用于許多或所有I/O設備，其它的I/O軟體（例如設備驅動程式）則會用于特定的I/O設備，
依據I/O設備作業方式的不同，通常進行如下分類：
（1）字符設備character device，又叫做人機互動設備，用戶通過這些設備實作與計算機系統的通信，它們大多是以字符為單位發送和接受資料的，資料通信的速度比較慢，
例如，鍵盤和顯示幕為一體的字符終端、列印機、掃描儀、包括滑鼠等，還有早期的卡片和紙帶輸入和輸出機，含有顯卡的圖形顯示幕的速度相對較快，可以用來進行影像處理中的復雜圖形的顯示，
（2）塊設備block device，又叫外部存盤器，用戶通過這些設備實作程式和資料的長期保存，與字符設備相比，它們是以塊為單位進行傳輸的，如磁盤、磁帶和光碟等，塊的常見尺寸為512~32768B之間，
（3）網路通信設備，這類設備主要有網卡、調制解調器等，主要用于與遠程設備的通信，這類設備的傳輸速度比字符設備高，但比外部存盤器低，
五、保護
我們知道作業系統可以對行程和資源進行管理和控制，而在這個管理程序中，行程運行的正確性必須要得以保證，因此，作業系統內部需要提供一種保護機制來確保行程運行和獲取資源的正確性，
從概念上來說，作業系統的保護是指一種控制程式、行程或用戶對計算機系統資源進行訪問的機制，作業系統中的行程必須加以保護，使其免受其他行程活動的干擾，各種機制是為了確保只有從作業系統中獲得了恰當授權的行程才可以操作相應的檔案、記憶體段、CPU和其他的資源，
通俗點說，計算機包含大量用戶經常希望保護和保密的資訊，這些資訊可能包括電子郵件，商業計劃書，納稅申報單等等，作業系統需要采取一些機制來管理系統的安全性，例如，某些重要檔案只能由授權用戶訪問，
通過為每個檔案分配一個9位的二進制保護代碼來保護系統中的檔案，保護代碼由三個3位欄位組成，一個用于所有者，一個用于所有者組的其他成員，另一個用于其他所有者，
每個欄位都有3位，一位表示讀權限，一位表示寫權限，一位表示執行權限，這3個位稱為rwx位，例如，保護代碼rwxr-x--x表示所有者可以讀取，寫入和執行檔案，其他組成員可以讀取或執行（但不能寫入）檔案，其他所有者都可以執行（但不能讀取或寫入）檔案，
除了檔案保護之外，作業系統還存在許多其他安全方面的保護機制，這些機制貫穿在作業系統的各個方面，從而能夠保證其在資源分配以及程式運行中的可靠性，
六、虛擬記憶體
虛擬記憶體想必都不會陌生，它主要是解決物理記憶體所帶來的一系列局限問題，虛擬記憶體能夠通過在RAM和磁盤之間快速來回移動程式來運行比計算機物理記憶體更大的程式，
因為虛擬記憶體的存在，使得應用程式以為它擁有了連續可用的記憶體，即一個連續完整的地址空間，而實際上，它在物理記憶體中可能并不連續，通常是被分隔成多個物理記憶體碎片，甚至還有部分暫時存盤在外部磁盤存盤器上，在需要時才進行資料交換，
總的來說，虛擬記憶體將主存看成是一個存盤在磁盤空間上的地址空間的高速快取，主存中只保存活動的區塊，并根據需要在磁盤和主存之間來回傳送資料，同時，它為行程提供了一致的地址空間，從而簡化了記憶體管理，
除此之外，作業系統為每個行程提供了一個獨立的虛擬地址空間，從而保護了每個行程的地址空間不被其他行程破壞，
由此可見，虛擬記憶體的提出解決了記憶體空間利用率問題、讀寫記憶體的安全性問題、行程間的通信安全問題以及記憶體讀寫的效率問題，現在大多數作業系統都使用了虛擬記憶體，已經成為作業系統中最為基礎的概念之一，
總結
這幾個概念在作業系統的學習體系中非常常見，是繞不開的理解點，當然了，如果將這幾個概念展開來說都不是幾篇萬字長文能夠介紹得完的，所以也不用慌，收藏起來慢慢理解，逐漸深入，
本文就是單從概念的角度來介紹這六個重要名詞在作業系統中的作用，從而體現出作業系統設計管理的思想，
寫在最后
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標籤：Java
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