操作系统基础：进程、内存与文件如何协作

程序运行时发生了什么

磁盘上的可执行文件只是程序的一种存储形式。运行它时，操作系统建立进程，准备地址空间和执行环境，让 CPU 执行指令，并管理文件、设备与权限。

可以从三个问题开始学习：怎样让多个任务共享机器，怎样让它们安全协作，怎样让数据在程序退出后保留下来。Operating Systems: Three Easy Pieces 将这些学习主题组织为虚拟化、并发和持久化。

进程是运行中程序的实例，拥有地址空间等资源。线程是进程中的执行流，同一进程中的线程通常共享代码、全局数据和打开的文件，同时各自保留栈、寄存器状态等执行上下文。Linux 的共享与独立属性可以查阅 pthreads(7)。

进程隔离不是绝对的：共享内存、继承的文件描述符和外部文件仍可能让多个进程访问同一资源。

Linux 上常见的启动方式是先 fork 创建子进程，再 exec 加载另一个程序。exec 替换当前进程的程序映像，并不额外创建进程；fork 则利用写时复制等机制，避免立即复制所有物理内存。参见 fork(2)。

单个 CPU 核心可以在任务之间切换，让多个任务在一段时间内交错推进，这叫并发。多个核心同时执行不同任务，则是并行。

一个任务可能正在运行、已经准备好等待 CPU，或者正在等待 I/O 等事件。读取磁盘、等待网络响应时，让其他任务运行能够提高资源利用率。

调度需要权衡响应速度、公平性和吞吐量。时间片过短会增加切换成本，过长可能降低交互体验。线程数量也不是越多越好：锁竞争、内存占用和调度开销都可能成为负担。

程序使用虚拟地址，硬件与操作系统通过页表把它转换成物理地址。这样既方便组织地址空间，也能检查访问权限。分页把地址空间划成固定大小的页，页表记录映射，TLB 缓存一部分地址转换结果。

缺页异常表示当前访问需要由操作系统进一步处理。它可能触发分配页面、建立映射或从存储设备读取数据；也可能因为访问非法而导致进程收到错误信号。不能把所有缺页都等同于“内存不够”。

程序申请了 1 GB 地址空间，也不等于此刻占用了 1 GB 物理内存。观察程序时，要区分虚拟地址空间、常驻内存和共享页面等指标。

假设两个线程都执行 counter += 1。在没有同步保证的模型中，它可能拆成读取、加一、写回。如果两个线程都读到 5，最终就可能只写回 6，而不是 7。在 C/C++ 等语言中，无同步的数据竞争还可能导致未定义行为。

互斥锁让临界区中的操作按顺序执行；条件变量帮助线程等待某个条件；信号量可以管理资源数量。使用这些工具时，需要先说清楚“保护哪个共享状态”，再决定锁的范围。

死锁的一种常见情形是：线程 A 持有锁 X 等待锁 Y，线程 B 持有锁 Y 等待锁 X。统一锁的获取顺序，可以避免这类循环等待；超时和取消策略也有用途，但需要正确处理失败后的状态。

应用通过系统调用请求内核服务，例如打开文件、读写数据或创建进程。库函数与系统调用不是一回事：一个库函数可能封装多个系统调用，也可能完全在用户态运行。

文件描述符是进程使用的整数句柄。按惯例，0、1、2 分别是标准输入、标准输出和标准错误。它们可以指向终端，也可以重定向到文件或管道。

文件名属于目录组织的一部分，文件内容和元数据由文件系统管理。把数据写入缓冲区或成功调用一次 write，不代表所有数据已经抵达持久存储。要求断电后仍保留的场景，需要结合 fsync、目录同步及具体文件系统语义设计。

在 Linux 终端中执行：

ps -eo pid,ppid,stat,comm
top
free -h
df -h

ps 观察进程与父子关系，top 观察运行状态，free 观察系统内存，df 观察已挂载文件系统的空间。Linux 会用空闲内存做缓存，判断内存压力时应结合 available 等指标。

练习解释：一个等待网络的进程为什么不一定占满 CPU？同一进程的线程为什么不能随意修改共享变量？文件已经写入，为什么还要考虑持久化？之后可沿着 OSTEP 的进程、分页、锁和文件系统章节继续学习。