计算机操作系统：进程切换与处理模式

# 1. 介绍

## 1.1 操作系统的作用

操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统中扮演关键角色的软件，它作为计算机硬件与应用软件之间的接口，提供了对硬件资源的管理和控制，为应用程序的运行提供了必要的环境和支持。

操作系统的作用主要包括以下几个方面：
- 资源管理：操作系统负责管理计算机系统中的各种资源，如处理器、内存、硬盘、输入输出设备等，合理分配和调度资源以满足应用程序的需求。
- 提供接口：操作系统通过提供一系列的系统调用和应用编程接口（API），使应用程序能够方便地访问硬件资源和系统功能。
- 提供用户界面：操作系统提供了各种用户界面，如命令行界面、图形界面等，使用户能够与计算机交互并操作系统及其应用程序。
- 确保系统稳定性：操作系统通过对资源的管理和保护，以及对应用程序的隔离和调度，确保系统的稳定性和可靠性。

## 1.2 进程切换的概念

进程切换（Process Switching）是操作系统中的一个重要概念，指的是在多道程序环境下，CPU在执行当前进程的过程中，被迫暂停当前进程的执行，转而执行其他可执行进程的过程。

进程切换的目的是合理地利用CPU资源，提高系统的吞吐量和响应速度。在多任务操作系统中，多个进程并发地运行，每个进程都需要占用CPU资源进行计算或任务处理。当一个进程因为等待I/O操作、时间片用完或优先级被抢占等原因无法继续执行时，操作系统会进行进程切换，将CPU资源分配给其他等待执行的进程。

## 1.3 处理模式的定义

处理模式（Mode）指的是CPU的工作模式或权限级别。现代操作系统中一般存在两种处理模式，即用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）。

用户态是指应用程序在正常执行过程中所处的模式，应用程序只能访问有限的资源，无法直接访问操作系统的底层资源和功能。这样可以确保应用程序之间的互相隔离，保护系统的稳定性和安全性。

内核态是指操作系统内核在执行系统功能和对底层资源进行管理的模式，内核态拥有更高的权限，可以直接访问并控制所有硬件资源和系统功能。只有在内核态下，操作系统才能执行一些需要特权的操作，如对硬件进行初始化、修改内存映射等。

处理模式的定义以及不同模式之间的切换机制，为操作系统提供了对系统资源和硬件的更为细粒度的控制能力。

# 2. 进程管理

进程管理是操作系统中实现多任务的重要组成部分。它负责管理系统中运行的所有进程，并为它们提供必要的资源和服务。在本章中，我们将介绍进程的状态和属性、进程的创建和销毁、以及进程的调度算法。

### 2.1 进程的状态和属性

进程的状态通常分为运行态、就绪态和阻塞态。运行态表示进程正在执行，就绪态表示进程已经准备好被调度执行，阻塞态表示进程因为等待某些事件而暂时无法执行。进程的属性包括进程标识符、进程优先级、进程的执行状态等。

在Java中，我们可以使用Thread类来创建和管理进程。下面是一个简单的示例：

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ProcessManagementExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个新的线程
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                // 进程执行的代码
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    System.out.println("Thread is running");
                    try {
                        // 休眠1秒钟
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });

        // 启动线程
        thread.start();

        // 等待线程执行完成
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Thread execution completed");
    }
}

上述代码创建了一个新的线程，并在线程中执行了一段代码。通过调用`start`方法启动线程，使用`join`方法等待线程执行完成。

### 2.2 进程的创建和销毁

进程的创建通常由操作系统的某个调用接口提供。调用接口会为新进程分配资源并初始化其状态。进程的销毁可以是自愿的（进程自行结束）或被迫的（操作系统强制终止进程）。

在Python中，我们可以使用`multiprocessing`模块来创建和管理进程。下面是一个简单的示例：

import multiprocessing
import time

def process_function():