操作系统基础 ​

你写的高并发、JVM、锁，全都建立在操作系统的这几个概念上。 这篇不只讲「为什么」，还给了每个概念对应的观测命令 —— 知道概念却不会查，等于不会。

一、进程 vs 线程 vs 协程 ​

一句话：进程是「有自己房子的人」，线程是「房子里的人」，协程是「人手里同时做的几件事」。

为什么线程切换比进程快：进程切换要换页表、清 TLB；线程切换只换栈和寄存器（共享地址空间）。

Java 的 Thread 在 JDK 21 之前是1:1 映射到内核线程；JDK 21 的虚拟线程是 M:N（大量虚拟线程跑在少量载体线程上），见 JUC 并发编程。

二、进程状态与调度 ​

新建 → 就绪 ⇄ 运行 → 终止
         ↑        ↓
         └─ 阻塞 ←─（等待 IO / 锁）

新建 → 就绪 ⇄ 运行 → 终止
         ↑        ↓
         └─ 阻塞 ←─（等待 IO / 锁）

上下文切换的代价：保存寄存器/栈，恢复下一个，通常 2~10 微秒。看起来很小，但每秒切几万次就是几十毫秒的开销 —— 这是「多线程不一定更快」的根源，也是 top 里 sy（内核态）特别高的常见原因。

怎么观测：vmstat 1 的 cs 列（每秒上下文切换次数）、pidstat -w 1（每个进程的 cswch/nvcswch）。

三、线程同步 ​

死锁四条件（缺一不可）：互斥、持有并等待、不可剥夺、循环等待。破坏任意一个即可避免：

• 一次性申请所有资源（破坏持有并等待）
• 按固定顺序加锁（破坏循环等待，最实用）
• tryLock 带超时（破坏不可剥夺）

怎么观测：jstack 能直接报 Found one Java-level deadlock；系统级用 cat /proc/<pid>/stack、gdb 抓线程栈。

四、虚拟内存与分页 ​

为什么需要虚拟内存 ​

每个进程都以为「我独占整个内存」，其实靠操作系统把虚拟地址映射到物理地址。好处：

1. 隔离：一个进程读不到别的进程的内存；
2. 省内存：不同进程共享同一份只读代码（如 libc）；
3. 简化链接：程序可以从固定地址开始加载。

分页与页表 ​

虚拟地址 = 页号 + 页内偏移
页表：页号 → 物理页框号

虚拟地址 = 页号 + 页内偏移
页表：页号 → 物理页框号

• 页：内存管理的最小单位（通常 4KB）。
• 页表：进程级，太大 → 多级页表（只给用到的地址建表）。
• TLB：页表的缓存（在 CPU 里），命中就不查页表 —— 这就是「进程切换慢」的原因（TLB 要刷）。

三个内存指标必须分清 ​

典型误区：ps 看到的 RSS 加起来远超物理内存 —— 不是内存泄漏，是共享页被重复计数了。

缺页中断 ​

访问的页不在物理内存 → 触发缺页中断 → 从磁盘换入。频繁缺页 = 抖动（thrashing），说明物理内存不够或程序局部性差。

怎么观测：vmstat 1 的 si/so（换入换出，持续 >0 就危险）、pidstat -r 1 的 majflt（主缺页，要从磁盘读）。

五、文件系统 ​

两个高频现象：

1. rm 了文件空间不释放：进程还开着这个 inode，要等它关闭。lsof +L1 能看到。
2. free 显示内存快满了但系统不卡：那是 page cache，可回收，看 available 而不是 free。

六、五种 IO 模型与零拷贝 ​

epoll 为什么快：注册一次 + 只返回就绪的（回调通知），不像 select 每次全量拷贝并遍历。完整对比见 Java NIO。

零拷贝（后端必问） ​

普通 read + write 传文件要 4 次拷贝 + 4 次上下文切换：

磁盘 → 内核缓冲区 → 用户缓冲区 → socket 缓冲区 → 网卡

磁盘 → 内核缓冲区 → 用户缓冲区 → socket 缓冲区 → 网卡

Kafka 为什么吞吐高：大量用到了 sendfile + 页缓存，消费时数据不落用户态。

七、概念 ↔ 观测命令对照表 ​

这张表是这篇最有用的部分：每个 OS 概念，怎么用命令看到它。

八、从现象到命令（排查路径） ​

九、和 Java 世界的对应关系 ​

十、速查 ​