NJUOS-22-极限速通操作系统实验

康康视频，纸面的知识，落在系统上，很多细节困难的昂！！！

复习

• 你们是否感受到实验无从下手？
• 写个操作系统也太难了吧？

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本次课回答的问题

• Q: 到底应该如何实现操作系统？

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本次课主要内容

• AbstractMachine 实验框架
• 极简操作系统实验功能展示

速通任务简介

速通任务简介

实现一个真正的操作系统

• 内核线程
  • 物理内存分配
  • 多处理器 (进程/线程绑定到处理器)
  • 支持内核信号量 P/V 操作
• 用户态进程和系统调用
  • kputc - 打印字符
  • fork - 进程复制
  • sleep - 进程睡眠
  • 支持并不算太简单的uproc.c
    • fork 简单测试 + dfs-fork.c
• 当然为了防止翻车，我作弊了 (事先实现过一遍了)

L0: AbstractMachine Game

复习：程序 = 状态机

数字电路是状态机

• logisim.c; seven-seg.py
  • 同样的方式可以模拟任何数字系统 (和计算机系统)

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C 程序 (on AbstractMachine) 也是状态机

• 状态 = stack frame 的列表 (每个 frame 有 PC) + 全局变量
• 初始状态 = main(argc, argv), 全局变量初始化
• 迁移 = 执行 top stack frame PC 的语句; PC++
  • 函数调用 = push frame (frame.PC = 入口)
  • 函数返回 = pop frame
• 例子：非递归汉诺塔 hanoi-nr.c

AbstractMachine: TRM & IOE

基础状态机

• 允许 “调试输出” 和 “终止”

extern Area  heap;
void   putch (char ch);
void   halt  (int code);

输入/输出设备

• 允许向设备寄存器的写入

bool ioe_init  (void);
void ioe_read  (int reg, void *buf);
void ioe_write (int reg, void *buf);
#include "amdev.h"

L0: 实验要求与实现要点

在框架代码的基础上实现一个能动的游戏

while (1) {
  while (!next_frame()) ;
  update_input();
  update_state();
  update_gfx();
}

与 Hello World 本质相同

• 速通：直接偷家
  • 甚至都不需要实现 printf

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温馨提示

• 是 RTFM/RTFSC 的好机会

L1: Physical Memory Management

AbstractMachine: MPE

共享内存多处理器状态机

• 多个 C 语言状态机，拥有独立堆栈且共享内存
• Data race = undefined behavior
  • atomic_xchg 是唯一的处理器间同步方法

bool mpe_init   (void (*entry)());
int  cpu_count  (void);
int  cpu_current(void);
int  atomic_xchg(int *addr, int newval);

L1: 实验要求与实现要点

实现 malloc/free 的内核版本

• 速通：直接偷家
  • 一把大锁保平安 -> 多处理器相关的可能出现问题的地方，直接atomic！！！别给俺并发搞花的哈哈哈哈，真有你的jyy哈哈哈哈哈！！！
  • 只分配不回收
• 注意要求
  • 按照 2k 边界对齐

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温馨提示

• 对自己的代码持最大程度的 “不信任”
  • 例如，在拆锁的时候保持所有的 assertions
• 注意代码的可维护性

所有的技巧，可能确实很聪明，减少了时间。但是同时，每一次的“聪明”，都引入了复杂性昂！！！可维护性就差了，可能需要更多的assert来保证系统的安全性。

自己balance一下，技巧不是不能用，但是同时也要保证简单性昂！！！

可读性非常非常重要，多把锁请定义在一起，并且保证他们的Lock Order。

L2: Kernel Multithreading

AbstractMachine: CTE

管理 C 语言状态机执行的 “快照” (context)

• 允许创建的状态机需要占用空间 (栈)
• 允许主动让出处理器 (yield) 或外部中断

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中断行为

• 将当前状态机的 context 就地保存在栈上
• 调用 cte_init 注册的 handler
• 返回时可以恢复到任意一个 context

bool     cte_init(Context *(*handler)(Event ev, Context *ctx));
void     yield   (void);
bool     ienabled(void);
void     iset    (bool enable);
Context *kcontext(Area kstk, void (*entry)(void *), void *arg);

CTE 和多处理器

处理器分别响应中断/异常

• 关中断只能关闭当前处理器的中断

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handler 执行时会使用当前执行流的堆栈

• 因此被中断的线程在返回之前不能被调度到其他处理器
• 可能导致非常 subtle 的 data race
  • Data race = undefined behavior

L2: 实验要求与实现要点

实现内核线程的创建和同步

• 速通
  • 抄 thread-os
  • 一把大锁保平安
  • Just yield
    • P() 的语义：如果没有资源，则让出 CPU 等待

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温馨提示

• 并发有很多琐碎的细节
  • lock(a); lock(b) 的开关中断
  • lock(a); lock(a)：AA型死锁（可重入）
  • 关中断，开中断时机
  • ……

参考一下Xv6的代码，是很好的昂！！！看看别人对的，是怎么写的昂！！！

L3: User Processes

AbstractMachine: VME

允许为 context 增加 “VR 眼镜”

• protect/unprotect 管理地址空间
• map 可以修改 VR 眼镜中的世界 (va 映射到 pa)

bool     vme_init (void *(*alloc)(int), void (*free)(void *));
void     protect  (AddrSpace *as);
void     unprotect(AddrSpace *as);
void     map      (AddrSpace *as, void *va, void *pa, int prot);
Context *ucontext (AddrSpace *as, Area kstk, void *entry);

L3: 实验要求与实现要点

实现若干系统调用

• kputc, sleep, fork, …
  • 你得到了一个真正的 “操作系统”！
• 先创建一个没有任何地址空间映射的空进程
  • Demand Paging: 在缺页时现场分配

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温馨提示

• 资源管理
  • 引用计数/gc 是个好方法
• 中断/异常的嵌套
  • 从关中断执行系统调用开始
  • 如果要处理，先从 “明显正确” 的方式开始

总结

本次课回答的问题

• Q: 到底应该如何实现操作系统？

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Take-away messages

• 写操作系统没那么难嘛
  • 建立抽象 (例如 AbstractMachine)
• 极限速通 != 正确的实现方法
  • 但可以帮助你理解概念 (例如什么是 P/V)
• 防御性编程
  • 总是实现最简单的版本，并且把 assertions 带到后面

References

1. vedio link: https://www.bilibili.com/video/BV1iY411A7w1/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ff957cd8fbaeb55d52afc75fbcc87dfd
2. verbose的时候，可能需要一些有意义的临时变量，去进行操作昂！！！可以减少代码的复杂度呢！！！