操作系统与并发底层原理多道技术

• 并发（Concurrency）
• 多道程序设计（Multiprogramming）
• 底层调度原理

🧠 一、先理解几个基础概念

1. 什么是操作系统（OS）？

操作系统是运行在计算机硬件上的核心程序，负责管理资源（CPU/内存/设备），协调各个应用程序的运行。

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2. 什么是并发（Concurrency）？

并发是指“多个程序或任务在同一个时间段内交替执行”，让人感觉它们是在“同时运行”。

💡 注意：并发 ≠ 真并行（Parallelism）
并发是交替切换执行；并行是真正同时执行（多核）

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3. 什么是多道技术（Multiprogramming）？

多道技术是操作系统的一个核心设计思想，允许多个程序“同时”驻留在内存中，通过CPU在它们之间快速切换，提高资源利用率。

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🧩 二、从现实类比帮助你理解

场景类比：餐厅做饭 🍽️

• 单道程序设计 = 厨师每次只能做一道菜，做完才开始下一道。
• 多道程序设计 = 厨师能同时处理多道菜（先煮这个汤、等汤滚时炒青菜、青菜出锅后炸鸡翅…）

虽然本质上是一个人（CPU）干活，但它在多个任务之间来回切换，让你感觉“好像同时都在做”。

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🧱 三、底层原理：操作系统怎么做到“并发”的？

✅ 1. 进程（Process）和线程（Thread）

• 进程 = 正在运行的程序，是资源分配的基本单位
• 线程 = 进程中的执行单元，是调度的基本单位

🔹 一个进程里可以有多个线程（比如浏览器主线程 + 视频线程 + JS线程）

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✅ 2. CPU 时间片（Time Slice）切换机制

• 操作系统把 CPU 时间划分为“时间片”（几十毫秒）
• 每次只允许一个线程占用 CPU
• 时间片结束，切换到下一个线程 → 上下文切换

💡 这种快速切换的过程 + 多道程序的驻留 → 实现“并发运行”

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✅ 3. 上下文切换（Context Switch）

• 当 CPU 从一个任务切换到另一个任务时，必须：

  • 保存当前进程的寄存器、程序计数器、栈指针等状态
  • 加载下一个进程的状态

• 这个过程就是“上下文切换”

• 太频繁的切换会带来性能开销

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🧠 四、多道程序设计解决了什么问题？

问题	多道设计解决方案
CPU 空闲	当一个程序在等 I/O 时，调度另一个任务执行
内存浪费	多个程序共享内存，提高使用率
资源利用率低	多个程序交替执行，不让资源空转
响应慢	快速切换任务，让系统更流畅

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📦 五、操作系统中的调度策略（简化了解）

策略	简介
先来先服务（FCFS）	谁先来，谁先执行
时间片轮转（RR）	每个任务轮流分配时间片
最短作业优先（SJF）	先执行短的任务
多级反馈队列	综合考虑优先级和历史表现，现代系统常用

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💡 六、可视化结构图（文字版）

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|   操作系统（OS）         |
|                         |
|  [程序A] [程序B] [程序C]   ← 多道程序同时驻留内存
|     ↓       ↓       ↓
|  进程A   进程B   进程C     ← 被加载为独立进程
|     ↓       ↓       ↓
|   线程A1   B1      C1     ← OS按时间片轮流调度线程
|     ↓       ↓       ↓
|      ← CPU快速切换执行 →
|                         |
+-------------------------+

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🧰 七、实际应用举例（你日常就在体验）

• 你同时打开：

  • 浏览器（进程A）→ 看网页
  • QQ（进程B）→ 接收消息
  • WPS（进程C）→ 写文档

虽然只有一个 CPU（或有限几个核心），操作系统用 多道 + 并发 + 调度机制 让它们“看起来”同时运行。

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📘 八、延伸学习关键词（你可以继续深入）

如果你想继续深入学习操作系统和并发原理，建议搜索和学习：

关键词	内容
进程与线程的区别	多任务调度基础
上下文切换	并发的代价
进程控制块（PCB）	存储进程信息的数据结构
时间片轮转算法	最基本调度策略
I/O阻塞与非阻塞	多道技术配合I/O调度
并发 vs 并行	计算机多任务基础概念
多核并发	真正同时执行的并行

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✅ 总结一句话：

多道技术是操作系统的核心机制，它通过让多个程序同时驻留在内存中，快速切换 CPU 执行，结合进程调度与上下文切换，实现“并发执行”的效果。

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