这份 操作系统专题 面向后端学习和面试复习，整理操作系统基础、进程线程、进程间通信、锁与同步、内存管理、虚拟内存、零拷贝、I/O 多路复用、文件系统、Linux 和 Shell 相关内容。

适合谁看

• 正在系统学习操作系统基础的后端开发者。
• 准备校招、社招、中大厂操作系统面试题的同学。
• 对进程线程、死锁、内存管理、Linux 命令只会零散背诵的读者。
• 想为 Java 并发、JVM、数据库、网络编程打底的工程师。

学习重点

写一个保存文件的接口，最直觉的写法是：拿到路径，open 一个文件，把数据 write 进去，最后 close。文件少、并发低、机器不出故障的时候，这套流程看起来没什么难度。

可一到面试追问，问题就来了。open() 返回的 fd 到底指向什么？文件名是存在 inode 里吗？两个硬链接为什么能看到同一份内容？write() 返回成功，数据是不是已经落盘？日志文件删了，为什么 df -h 还是显示磁盘满？

这些问题都绕不开文件系统。它要把路径解析成文件对象，把文件的第 N 个字节定位到底层数据块，还要处理权限、缓存、删除、重命名和崩溃恢复。

写一个 TCP 服务端，最直觉的写法是：主线程 accept 一个连接，就丢给一个新线程去 read、处理、write。连接少的时候这套跑得很好。

可一旦连接数冲到上万，问题就来了。在不少 Linux 发行版里，新线程默认会预留数 MB 的栈空间，常见配置是 8 MB（实际值取决于 ulimit -s、运行库和线程属性）。一万个连接哪怕栈页是按需提交的，预留的地址空间、真正用到的栈页加上线程元数据叠起来也很可观；更要命的是几千上万个线程挤在几个 CPU 核上，光是线程间的上下文切换就把 CPU 啃掉一大半，真正干活的时间所剩无几。更别提大部分连接其实是空闲的——它们各自占着一个线程，却只是在那儿干等数据。

两个进程想交换一段数据，最直觉的想法是：A 进程把数据写到自己的内存里，然后 B 进程直接去读就行了。

不过，这在操作系统里行不通。每个进程都有独立的虚拟地址空间，A 进程里的 0x7f... 地址和 B 进程里的 0x7f... 地址并不是同一块内存。用户态进程之间不能随便互相摸内存，否则权限隔离也没法谈。

所以 IPC（Inter-Process Communication，进程间通信） 绕不开操作系统。

不要想得太复杂，我更习惯把 IPC 看成三件事：怎么传数据、怎么同步控制流、怎么做命名和权限检查。只记“管道、消息队列、共享内存”这些名字，很容易背完就忘。

简单介绍一下 Java 程序员必知的 Linux 的一些概念以及常见命令。

初探 Linux

Linux 简介

通过以下三点可以概括 Linux 到底是什么：

• 类 Unix 系统：Linux 是一种自由、开放源码的类似 Unix 的操作系统。
• Linux 本质是指 Linux 内核：严格来讲，Linux 这个词本身只表示 Linux 内核，单独的 Linux 内核并不能成为一个可以正常工作的操作系统。所以，就有了各种 Linux 发行版。
• Linux 之父（林纳斯·本纳第克特·托瓦兹 Linus Benedict Torvalds）：一个编程领域的传奇式人物，真大佬！我辈崇拜敬仰之楷模。他是 Linux 内核 的最早作者，随后发起了这个开源项目，担任 Linux 内核的首要架构师。他还发起了 Git 这个开源项目，并为主要的开发者。

两个线程同时给同一个计数器加 1，看起来很小的一件事，最后结果却可能少加一次。

原因其实很简单。count++ 在源码里是一行，机器执行时通常要经历读取、计算、写回几个步骤。线程 A 刚读到旧值，还没写回；线程 B 也读到了同一个旧值。两边各自算出新值，最后写回的却是同一个结果。

为了避免这类并发问题，操作系统提供了锁和一系列同步机制。它们要解决的问题不只是一段代码能不能同时执行，还包括线程该不该阻塞、资源数量怎么控制、条件不满足时怎么等待。到了内核里，还要继续考虑中断、抢占、多 CPU、实时性和调度延迟。

这篇文章只讲操作系统视角下的同步机制。Java 里的 synchronized、ReentrantLock、AQS、CAS 和锁优化已经在 Java 锁详解 里展开过，这里不会重复那套内容。本文重点看 mutex、semaphore、condition variable、spinlock、futex 这些概念各自解决什么问题。等理解了这些同步原语，再去看 死锁详解，就更容易看懂“等待关系为什么会绕成环”。

Shell 编程在我们的日常开发工作中非常实用，目前 Linux 系统下最流行的运维自动化语言就是 Shell 和 Python 了。

这篇文章我会简单总结一下 Shell 编程基础知识，带你入门 Shell 编程！

版本说明

本文示例适用于 bash 4.0+ 版本。不同版本的 bash 在某些特性上可能有差异，特别是：

• 数组：bash 2.0+ 支持，纯 POSIX sh（如 dash）不支持。
• 某些字符串操作：如 ${var:offset:length} 在较旧版本可能不支持。
• 算术扩展 $((...))：bash 2.0+ 支持。

面试里有个很常见的套路：先问你“Kafka 为什么快”“RocketMQ 为什么扛得住堆积”，等你答出顺序写、Page Cache、零拷贝之后，面试官顺势往下挖：“零拷贝具体省掉了哪几次拷贝？”“mmap 和 sendfile 有什么区别？”“splice 又是干嘛的？”

到这一步，很多人就开始打太极了。能背出“零拷贝就是不经过用户态”的不少，能把四次拷贝、两次 DMA、几次上下文切换的账算清楚的不多。

这篇文章就从一次文件发送说起：传统 I/O 会拷几次，零拷贝的“零”到底省在哪，mmap、sendfile、splice 三条路线分别省了什么，又各自要付出什么代价。