NJUOS-32-课程总结

本文最后更新于：1 年前

从逻辑门到计算机系统

数字系统：计算机系统的 “公理系统”

数字系统 = 状态机

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  • 数字系统的设计 = 描述状态机

    • HDL (Verilog)

      • HCL (Chisel)
        • 编译生成 Verilog

    • HLS (High Level Synthesis)

      • “从需求到代码”

编程语言和算法

C/Java/Python 程序 = 状态机

  • 状态：栈、堆、全局变量

  • 迁移：语句 (或语句一部分) 的执行

    • “程序设计语言的形式语义”
    • hanoi-nr.c

  • 编程 = 描述状态机

    • 将人类世界的需求映射到计算机世界中的数据和计算

      • DFS 走迷宫 dfs-fork.c
      • Dijkstra 算法求最短路径……

    • 允许使用操作系统提供的 API

      • 例子：write(fd, buf, size) 持久化数据

如何使程序在数字系统上运行？

  • 指令集体系结构

  • 编译器 (也是个程序)

    • 将 “高级” 状态机 (程序) 翻译成的 “低级” 状态机 (指令序列)
      • 翻译准则：external visible 的行为 (操作系统 API 调用) 等价

  • 操作系统 (也是个程序)

    • 状态机 (运行中程序) 的管理者
      • 使程序可以共享一个硬件系统上的资源 (例如 I/O 设备)

操作系统上的程序

  • 状态机 + 一条特殊的 “操作系统调用” 指令

  • 程序的编译、链接和加载

操作系统对象和 API

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你们获得了 “实现一切” 的能力！

M1 - pstree

  • 打印进程树 (文件系统 API; procfs)

M2 - libco

  • 进程内的状态机管理 (setjmp/longjmp)

M3 - sperf

  • strace (pipe; fork; execve)

M4 - crepl

  • 动态链接和加载 (fork; execve; dlopen)

M5 - freov

  • 文件系统解析 (mmap)

你们也获得了 “理解一切” 的能力！

“操作系统” 课给了你程序的 “最底层” 的状态机视角

  • 也给了很多之前很难回答问题的答案
    • 如何创造一个 “最小” 的可执行文件？
    • a.out 是什么？
    • a.out 执行的第一条指令在哪里？
    • printf 是如何被调用的？
    • a.out 执行了哪些系统调用？
    • a.out执行了多少条指令？

你们还理解了操作系统是如何实现的

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  • 操作系统实现选讲

    • 从 Firmware 到第一个用户程序 bootmain.c

    • 迷你 “操作系统” thread-os.c

      • Xv6

        • 真正的 “教科书” 代码
        • spinlock-xv6.c
        • 系统调用；文件系统；……

      • linux-minimal.zip

        • “核弹发射器” 驱动

    • OSLabs

从逻辑门到计算机系统

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  • 刷一下手机，你的计算机系统经历了非常复杂的过程

    • 应用程序 (app) → 库函数 (Android Framework) → 系统调用 → 操作系统中的对象 → 操作系统实现 (C 程序) → 设备驱动程序 → 硬件抽象层 → 指令集 → CPU, RAM, I/O设备 → 门电路

  • 操作系统课给这个稍显复杂的过程一个清晰的轮廓

    • “这一切是可以掌控的”

    • RTFM! RTFSC!

走得更远

所以你到底学到了什么？

Operating systems (最重要的那个 piece): you’re delighted

  • 你不再惧怕任何 “system”

    • 嵌入式系统

    • 通用操作系统

    • 分布式系统

    • ……

  • 也不再惧怕任何 “需求” 的实现

    • 找到合适的系统调用实现

    • 做不到？可以自己加个系统调用

    • 软件上实现不了？可以改 CPU 来支持！

Hacker’s Delights: 新的“理解”

  • “一切皆状态机”

    • 状态的副本 (fork) 可以用来做什么？
      • Model checking, failure recovery, …

  • “死锁检测: lockdep 在每次 lock/unlock 的时候插入一条 printf”

    • 这就是 dynamic analysis 的本质
      • 如何减少 printf 的数量、怎么巧妙地记录、怎样分析日志……
      • 如何调控程序的执行？找到 bug 还是绕开 bug？

  • “文件系统是磁盘上的一个数据结构”

    • 通过 append-only 实现 journaling

    • LSM Tree 和分布式 key-value store

      • Block chain 也是一个数据结构！

并发：走向分布式系统

  • 如何为网络上的多台计算机提供统一的应用程序接口？

    • 把多个分布的、随时可能离线的计算机组成一个存储系统

    • 在存储的基础上完成计算

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虚拟化：重新理解操作系统设计

Microkernel, Exokernel, Unikernel

  • 没有人规定操作系统里一定要有 “文件”、“进程” 这些对象

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持久化：重新理解持久存储设计

  • 文件系统没能解决的需求

    • 大量的数据 (订单、用户、网络……) + 非简单目录遍历性质的查询

  • “数据库”：虚拟磁盘上的数据结构

    • 就像我们在内存 (random access memory) 上构建各种数据结构

      • Binary heap, binary search tree, hash table, …

      • 典型的数据库

        • 关系数据库 (二维表、关系代数)
        • key-value store (持久化的 std::map)
        • VCS (目录树的快照集合)

    • SSD 和 NVM 带来的新浪潮

和操作系统相关的 Topics

  • Computer Architecture
    • 计算机硬件的设计、实现与评估
  • Computer Systems
    • 系统软件 (软件) 的设计、实现与评估
  • Network Systems
    • 网络与分布式系统的设计、实现与评估
  • Programming Languages
    • 状态机 (计算过程) 的描述方法、分析和运行时支持
  • Software Engineering
    • 程序/系统的构造、理解和经验
  • System/Software Security
    • 系统软件的安 (safety) 全 (integrity)

五周目总结

上操作系统课的乐趣

  • 在课堂上时，你可以思考一些已经很清楚的基本东西。这些知识是很有趣、令人愉快的，重温一遍又何妨？另一方面，有没有更好的介绍方式？有什么相关的新问题？你能不能赋予这些旧知识新生命？……但如果你真的有什么新想法，能从新角度看事物，你会觉得很愉快。

  • 学生问的问题，有时也能提供新的研究方向。他们经常提出一些我曾经思考过、但暂时放弃、却都是些意义很深远的问题，重新想想这些问题，看看能否有所突破，也很有意思。

  • 学生未必理解我想回答的方向，或者是我想思考的层次；但他们问我这个问题，却往往提醒了我相关的问题。单单靠自己，是不容易获得这种启示的。 —— Richard Feynman

五周目的主要改进

  • 课程主线

    • 实现了 “一切皆状态机” 的教学思路 (四周目整改项目)

      • 改进了 model checker
      • 增加了一些以往很难讲的主题
        • “编译器可以做什么样的优化”、“形式化验证”……

    • 更明确地问题驱动 (四周目整改项目)

      • 在一定程度上实现了，但感觉还不满意

  • 代码

    • 增加了更多的示例代码 (四周目整改项目)

    • 动态链接似乎讲得更清楚了

自我批评与六周目

  • 课程主线

    • 还欠一些代码

      • RAID 模拟器 (OSTEP 上的模拟器不太适合课堂教学)

      • Xv6 文件系统 block trace 和崩溃恢复

      • …

      • Model checker: Once and for all

        • 并发 + 进程 + crash consistency

    • 重写课程网站/Online Judge

      • 整改项目，再再次未能如愿

  • 其他

    • 欢迎大家提建议/意见 (例如 “增加 XXX 代码就好了”)

我们置身的时代

Google 不是偶然的

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Apple 和 Facebook 也不是偶然的

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伟大的发明都不是完全偶然的

Bill Gates 在 1975 年开发 Altair BASIC 时在 Harvard 的大型机上实现了全系统模拟器 (Intel 8080A)

  • 南京大学《计算机系统基础》课程花了 40 年才追上

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创新的基因和工匠的精神

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任何颠覆性的技术，在诞生的那一刻都是 “简单” 的

  • 但我们做好产业化的准备了吗？
    • 10,000 行代码 ← Linux 0.11
    • 100,000 行代码
      • 初步的技术壁垒
    • 1,000,000 行代码
      • “三体人的封锁”
      • 反制三体人的必经之路
    • 10,000,000 行代码
      • 工业级技术的成熟

创新的基因和工匠的精神 (cont’d)

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大型项目持久的竞争力和生命力

  • Apple
    • Apple Silicon; Rosetta-2; …
  • Google
    • Android, ChromeOS, Fuchsia, …
  • Microsoft
    • .NET, Windows NT, Windows Subsystem for Linux, Windows on ARM, …
  • 开源社区项目
    • GNU, Mozilla, Apache, Linux Kernel, MySQL, QEMU, Wine, ffmpeg, …

脖子被卡也不是偶然的

高考：为大众提供了阶级跃升的途径

代价：过度强化的训练和 (部分) 扭曲的价值观

  • 进入大学以后的 “去高考化” 反而没有做好

    • 陈腐乏味的课程
    • 局限的视野
    • 稳固的舒适区
    • 畏惧哪怕一点点的风险

  • “我也想去改变世界，但拿什么去改变呢？”

在座各位的使命

重新定义 “专家”。

  • 那些愿意站出来颠覆一个行业的人

  • 那些能管理好工程项目的人

  • 那些能驾驭的了大规模代码的人

    • 去共同完成一些旁人看来 “惊为天人” 的东西，
    • 去推动这个世界的进步

我们的征途是星辰和大海。

对自己要求高一点

(没什么前途的老学长对你们的期待)

References

  1. slides
  2. video
南京大学操作系统
#研0自学
NJUOS-32-课程总结
https://alexanderliu-creator.github.io/2023/10/14/njuos-32-ke-cheng-zong-jie/
作者
Alexander Liu
发布于
2023年10月14日
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