南京大学 操作系统: 设计与实现 重点提示

时隔一年，在跟随 B 站 up 主 @踌躇月光 从零编写一个基于 x86 架构的内核 Txics 后，终于可以跟得上 @绿导师 的课程了 🤣 这次以 2022 年的 OS 课程 作为主线学习，辅以 2023 年课程 和 2024 年课程 的内容加以补充、扩展，并搭配南大的 ICS 课程进行作业，后期可能会加入清华大学的 rCore 实验 (待定)。

操作系统概述

一个 Talk 的经典三段式结构: Why? What? How? (这个真是汇报的大杀器 🤣)

1950s 的计算机

• I/O 设备的速度已经严重低于处理器的速度，中断机制出现 (1953)
• 希望使用计算机的人越来越多；希望调用 API 而不是直接访问设备
• 批处理系统 = 程序的自动切换 (换卡) + 库函数 API
• 操作系统中开始出现 设备、文件、任务 等对象和 API

1960s 的计算机

• 可以同时载入多个程序而不用 “换卡” 了
• 能载入多个程序到内存且灵活调度它们的管理程序，包括程序可以调用的 API
• 既然操作系统已经可以在程序之间切换，为什么不让它们定时切换呢？

操作系统机制出现和发展的原因，不需要死记硬背，这些机制都是应需求而诞生、发展的，非常的自然。

什么是操作系统？

• 程序视角：对象 + API
• 硬件视角：一个 C 程序

实验环境: deepin 20.9

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$ uname -a
Linux cai-PC 5.15.77-amd64-desktop #2 SMP Thu Jun 15 16:06:18 CST 2023 x86_64 GNU/Linux

安装 tldr:

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$ sudo apt install tldr

有些系统可能没有预装 man 手册:

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$ sudo apt install manpages manpages-de manpages-de-dev manpages-dev manpages-posix manpages-posix-dev glibc-doc

操作系统上的程序

UNIX 哲学:

• Make each program do one thing well
• Expect the output of every program to become the input to another

什么是程序

计算机是构建在状态机 (数字电路) 之上的，所以运行在计算机之上的程序 (不管是操作系统还是应用，无论是源代码还是二进制) 都是状态机。C程序的状态机模型中，状态是由堆栈确定的，所以函数调用是状态迁移，因为它改变了堆栈，即改变了状态机的状态。明确这一点之后，我们可以通过模拟堆栈的方式，来将任意的递归程序改写为非递归程序，例如经典的汉诺塔程序。

程序 = 状态机

• 源代码 $S$ (状态机): 状态迁移 = 执行语句
• 二进制代码 $C$ (状态机): 状态迁移 = 执行指令

只使用纯"计算"的指令 (无论是 deterministic 还是 non-deterministic) 无法使程序停下来，因为将程序本质是状态机，而状态机通过“计算”的指令只能从一个状态迁移到另一个状态，无法实现销毁状态机的操作 (对应退出/停下程序)，要么死循环，要么 undefined behavior。这时需要程序对应的状态机之外的另一个东西来控制、管理该状态机，以实现程序的停下/退出操作，这就是 OS 的 syscall 存在的意义，它可以游离在程序对应的状态机之外，并修改状态机的内容 (因为程序呼叫 syscall 时已经全权授予 OS 对其状态内容进行修改)。

空的 _start 函数可以成功编译并链接，但是由于函数是空的，它会编译生成 retq 指令，这会导致 pc 跳转到不合法的区域，而正确的做法应该是使用 syscall exit 来结束该程序 (熟悉 C 语言函数调用的同学应该能看懂这段描述)。

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// start.c
int _start() {}

// start.o
0000000000000000 <_start>:
   0:   55                      push   %rbp
   1:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
   4:   90                      nop
   5:   5d                      pop    %rbp
   6:   c3                      retq   

通过 syscall 实现了和 mininal.S 功能一致的最小 C 语言 hello, world 程序 mininal.c:

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#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    char buf[] = "\033[01;31mHello, OS World\033[0m\n";
    syscall(SYS_write, 1, buf, sizeof(buf));
    syscall(SYS_exit, 42);
}

• System Calls Manual

如何在程序的两个视角之间切换？

从“状态机”的角度可以帮我们解决一个重要的基本问题: 什么是编译器？？？

编译器: 源代码 S (状态机) $\rightarrow$ 二进制代码 C (状态机) $$C=compile(S)$$

即编译器的功能是将源代码对应的状态机 $S$ 转换成二进制代码对应的状态机 $C$。但是这里需要注意，这两个状态机不需要完全等价，只需要满足 $S$ 与 $C$ 的可观测行为严格一致 即可，这也是编译优化的理论基础：在保证观测一致性 (sound) 的前提下改写代码 (rewriting)。

• Jserv 的讲座 並行程式設計: 執行順序 对这个有更清晰的讲解

可以通过以下指令来观察编译器的优化情况，以理解什么是观测一致性:

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$ gcc -On -c a.c # n couldbe 0, 1, 2, 3
$ objdump -d a.o

操作系统中的一般程序

对于操作系统之上的程序，它们看待操作系统的视角是 API (syscall)，所以这门课中有一个很重要的工具：strace (system call trace 追踪程序运行时使用的系统调用，可以查看程序和操作系统的交互):

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$ sudo apt install strace
$ strace ./hello-goodbye

• Linux manual page: strace

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$ sudo apt install apt-file
$ sudo apt-file update
$ sudo apt-file search <filename>