操作系统基础
学习目标
- 理解程序、进程、进程状态和 CPU 时间片的基本关系。
- 能用简单模型解释轮转调度为什么能让多个任务交替运行。
- 掌握字节、KiB、MiB、GiB 等二进制内存单位。
- 能读懂常见类 Unix 文件权限字符串和八进制权限。
- 理解环境变量和
PATH如何影响 Java 程序启动。 - 用 JUnit 5 测试验证 OS 相关规则，而不依赖当前机器状态。
前置知识
已完成网络基础，能把工程边界拆成稳定、可测试的小规则。
练习入口
本章对应仓库中的操作系统基础练习：
exercises/operating-system-basics/starter：学习者编辑区。exercises/operating-system-basics/solution：参考实现和完整测试。
运行 starter：
mvn -B -pl exercises/operating-system-basics/starter -am test运行参考答案：
mvn -B -pl exercises/operating-system-basics/solution -am test为什么先做模型
真实操作系统状态会随机器、权限、负载和平台变化。学习第一步不需要读取真实进程表，也不需要修改真实文件权限。我们先用小模型练习：
- 进程有哪些状态。
- CPU 时间片如何轮流分配。
- 内存单位如何换算。
- 文件权限如何表达读、写、执行。
- 环境变量如何影响程序配置。
这些规则能被单元测试稳定验证，之后再接触真实系统 API 会更顺。
程序、进程和状态
程序是磁盘上的代码和资源，进程是程序运行后的实例。一个进程通常会经历这些状态：
| 状态 | 含义 |
|---|---|
NEW | 刚创建，尚未进入就绪队列 |
READY | 准备好运行，等待 CPU |
RUNNING | 正在占用 CPU 执行 |
WAITING | 等待 I/O、锁或其他事件 |
TERMINATED | 已结束 |
练习中的 ProcessTable 用进程快照统计运行中进程、状态数量和内存总量。
CPU 时间片与轮转调度
单核 CPU 在某个瞬间只能运行一个任务。操作系统通过快速切换，让多个任务看起来“同时”推进。
轮转调度的核心规则很简单：
- 每个进程最多运行一个固定时间片。
- 如果进程还没完成，就排回队尾。
- 如果进程已经完成，就不再进入队列。
练习中的 RoundRobinScheduler 不模拟真实线程，只根据剩余执行时间返回执行顺序。
内存单位
操作系统经常用二进制单位描述内存：
| 单位 | 字节数 |
|---|---|
B | 1 |
KiB | 1024 |
MiB | 1024 * 1024 |
GiB | 1024 * 1024 * 1024 |
练习中的 MemorySize 会解析 512B、2 MiB、1 GiB 这类文本，并判断某个内存占用是否不超过限制。
文件权限
类 Unix 权限常写成 9 个字符：
rwxr-x---前三位表示所有者，中间三位表示用户组，后三位表示其他人。每组三位分别是读、写、执行。
同一个权限也可以写成八进制：
| 符号 | 八进制 |
|---|---|
rwx------ | 700 |
rw-r--r-- | 644 |
rwxr-x--- | 750 |
练习中的 FilePermission 会解析符号权限，并转换为八进制字符串。
环境变量与 PATH
环境变量是操作系统传给进程的一组键值。Java 程序常通过它读取运行配置，例如：
JAVA_HOME：JDK 安装位置。PATH：命令查找路径。APP_ENV：应用运行环境。
PATH 通常由多个目录组成。命令行输入 java 时，系统会按 PATH 中的目录顺序查找可执行文件。
练习中的 EnvironmentVariables 会读取必需变量、缺失时的默认值，并拆分 PATH。
分级练习
- 基础：完成
MemorySize，掌握二进制内存单位。 - 进阶：完成
ProcessTable和RoundRobinScheduler，理解进程状态和调度。 - 挑战：完成
FilePermission和EnvironmentVariables，说明权限和启动环境如何影响程序。
常见错误与排查
- 把
KiB当成 1000 字节：内存场景通常按 1024 进位。 - 以为进程一直处于
RUNNING：等待 I/O 时常会进入等待状态。 - 轮转调度忘记把未完成进程放回队尾：后续任务会饿死。
- 权限位顺序看反：每组三位都是读、写、执行。
- 忽略空环境变量：缺失和空白值通常都不能当作有效配置。
面试与复习题
- 程序和进程有什么区别？
READY、RUNNING、WAITING分别代表什么？- 时间片太大或太小分别可能带来什么问题？
1 MiB等于多少字节？rwxr-x---对应的八进制权限是多少？PATH为什么会影响java命令能不能运行？
本章总结
操作系统基础帮助你理解 Java 程序运行在哪里、如何占用资源、如何被调度、如何读取环境。完成本章后，你已经能把常见 OS 规则写成小而稳定的 Java 测试。
下一步
上一章：网络基础
下一章：数据库基础