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[操作系统] 操作系统导论

作者：CC下载站日期：2021-03-06 00:00:00 浏览：77 分类：玩电脑

操作系统导论

阅读感想

操作系统最伟大的地方就是他的抽象，将CPU虚拟化，把一个物理CPU变成了多个虚拟CPU，从而支持多个程序并发运行；通过内存虚拟化，将物理内存抽象为多个巨大的、高速的虚拟内存，让每一个进程都以为自己拥有无限大内存空间。

第4章进程

运行的程序就是进程，操作系统有很多关于进程的API，

·创建（create）：操作系统必须包含一些创建新进程的方法。在shell中键入命令或双击应用程序图标时，会调用操作系统来创建新进程，运行指定的程序。

·销毁（destroy）：由于存在创建进程的接口，因此系统还提供了一个强制销毁进程的接口。当然，很多进程会在运行完成后自行退出。但是，如果它们不退出，用户可能希望终止它们，因此停止失控进程的接口非常有用。

·等待（wait）：有时等待进程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口。

·其他控制（miscellaneous control）：除了杀死或等待进程外，有时还可能有其他控制。例如，大多数操作系统提供某种方法来暂停进程（停止运行一段时间），然后恢复（继续运行）。

·状态（status）：通常也有一些接口可以获得有关进程的状态信息，例如运行了多长时间，或者处于什么状态。

把程序和静态数据加载到内存，然后执行他就成了进程，现代操作系统将加载的过程lazily懒惰化了，需要用的时候才加载

进程有三个状态，运行、就绪、阻塞

第5章进程API

fork , 复制当前的进程，父进程返回子进程pid，子进程返回0

wait，父进程等待子进程执行完毕

exec，加载某个程序到内存中运行，覆盖当前进程

shell也是一个用户程序[插图]，它首先显示一个提示符（prompt），然后等待用户输入。你可以向它输入一个命令（一个可执行程序的名称及需要的参数），大多数情况下，shell可以在文件系统中找到这个可执行程序，调用fork()创建新进程，并调用exec()的某个变体来执行这个可执行程序，调用wait()等待该命令完成。子进程执行结束后，shell从wait()返回并再次输出一个提示符，等待用户输入下一条命令。

第6章机制：受限直接执行

OS不可能说，创建了一个进程，把所有权限完全交给进程，然后把自己挂起，那坏蛋写一个死循环，我们就只能重启计算机了，OS会把CPU交给进程，但是他如何拿回来呢？

答案很简单，许多年前构建计算机系统的许多人都发现了：时钟中断（timer interrupt）[M+63]。时钟设备可以编程为每隔几毫秒产生一次中断。产生中断时，当前正在运行的进程停止，操作系统中预先配置的中断处理程序（interrupt handler）会运行。此时，操作系统重新获得CPU的控制权，因此可以做它想做的事：停止当前进程，并启动另一个进程。

第8章调度：多级反馈队列

·规则1：如果A的优先级 > B的优先级，运行A（不运行B）。

·规则2：如果A的优先级 = B的优先级，轮转运行A和B。

·规则3：工作进入系统时，放在最高优先级（最上层队列）。

·规则4：一旦工作用完了其在某一层中的时间配额（无论中间主动放弃了多少次CPU），就降低其优先级（移入低一级队列）。

·规则5：经过一段时间S，就将系统中所有工作重新加入最高优先级队列。

规则4是反馈

规则5可避免饥饿

第9章调度：比例份额

彩票调度

很多人都买过彩票，但是很少有人中奖，我们假设有100张彩票，有AB两个人分别买了75张和25张，然后我们进行随机开奖，开到一张票，这张票在谁手上谁就中奖。

同理，我们假设AB是两个进程，则中奖的那位就能获得CPU控制权。

彩票货币

如果进程可以将自己的彩票分配给自己的线程，则实现了彩票货币化。

彩票转让

一个进程可以吧自己的彩票分给其他进程，例如客户端把彩票分给服务端以加快服务端处理速度。

彩票通胀

最后，彩票通胀（ticket inflation）有时也很有用。利用通胀，一个进程可以临时提升或降低自己拥有的彩票数量。当然在竞争环境中，进程之间互相不信任，这种机制就没什么意义。

算法实现

我们只需要记录每个进程拥有多少彩票，并把他们排好，然后OS生产随机数，从第一个进程开始，对彩票数进行累加，当累和第一次超过随机数时，这个进程中奖。

我们还可以对进程按照彩票数从大到小排好序，这样可以加快遍历速度。

步长调度

A、B、C这3个工作的票数分别是100、50和250，我们通过用一个大数分别除以他们的票数来获得每个进程的步长。比如用10000除以这些票数值，得到了3个进程的步长分别为100、200和40。我们称这个值为每个进程的步长（stride）。每次进程运行后，我们会让它的计数器 [称为行程（pass）值] 增加它的步长，记录它的总体进展。

当进行调度的时候，取出行程最小的进程进行调度，如果有多个，则从中随机选择任意一个。

第10章多处理器调度（高级）

问题

缓存一致性： CPU1修改了自己的缓存，但是CPU2没有同步修改怎么办？

硬件提供了这个问题的基本解决方案：通过监控内存访问，硬件可以保证获得正确的数据，并保证共享内存的唯一性。在基于总线的系统中，一种方式是使用总线窥探（bus snooping）[G83]。每个缓存都通过监听链接所有缓存和内存的总线，来发现内存访问。如果CPU发现对它放在缓存中的数据的更新，会作废（invalidate）本地副本（从缓存中移除），或更新（update）它（修改为新值）。回写缓存，如上面提到的，让事情更复杂（由于对内存的写入稍后才会看到），你可以想想基本方案如何工作

并行(发)问题：

如果线程1执行第一行，会将head的当前值存入它的tmp变量。如果线程2接着也执行第一行，它也会将同样的head值存入它自己的私有tmp变量（tmp在栈上分配，因此每个线程都有自己的私有存储）。因此，两个线程会尝试删除同一个链表头，而不是每个线程移除一个元素，

void rease(){
  Node *tmp = head;
  // ...
  free(tmp);
}

缓存亲和度：一个线程在某个CPU上运行，他会有一些缓存，如果他切换到其他CPU上，则缓存需要重新加载。

单队列多处理器调度

（Single QueueMultiprocessor Scheduling，SQMS) 一个队列，处理器需要执行时，锁住队列，然后从队列取出任务，最后释放锁，但是他不好解决亲和度问题和锁的问题。

多队列多处理器调度

（Multi-QueueMultiprocessor Scheduling，MQMS）多个队列，一般而言，一个处理器一个队列，如果任务数量能整除CPU数量，这很好分配，无法整除的时候，就涉及到了负载不均的问题。

最明显的答案是让工作移动，这种技术我们称为迁移（migration）。通过工作的跨CPU迁移，可以真正实现负载均衡。

注意我们要让任务轮流迁移，否则就不太公平

另一个方法是窃取工作量少的队列不定期偷看其他队列，如果发现他比自己多，则偷取一个任务。

如果太频繁地检查其他队列，就会带来较高的开销，可扩展性不好，而这是多队列调度最初的全部目标！相反，如果检查间隔太长，又可能会带来严重的负载不均。

第15章机制：地址转换

动态（基于硬件）重定位

即基址加界限机制，所有的程序都认为自己的地址空间从0开始，但是当他执行的时候，操作系统会决定其在物理内存中的实际加载地址，并将起始地址记录在基址寄存器中。

第16章分段

问题：栈和堆之间，有一大块“空闲”空间，造成了浪费

在硬件中使用三对寄存器来分别记录代码段，堆和栈

问题：如何判断一个地址是代码段，堆还是栈？

虚拟地址前两位表示

问题：如何共享？

操作系统为段记录额外信息，

第17章空闲空间管理

要满足变长的分配请求，应该如何管理空闲空间？什么策略可以让碎片最小化？不同方法的时间和空间开销如何？

OS如何知道free的内存有多大？

在C中，每当我们使用malloc的时候，OS会给我们分配一块内存，当我们使用free的时候，这块内存会被释放，然而这个时候OS如何知道这块内存有多大，他该如何来释放呢？

其实malloc返回给我们的内存是小于OS给我们的内存的，可以看到OS在这块内存的前面加了一些信息，包括内存的大小和一个校验部分。

OS如何组织空闲内存？

每块内存的开头都有一个部分，包括这块内存的大小以及下一块内存的地址

内存分配和释放

OS分配内存的时候，会在他的内存链表中找到一块合适的，将其切割并移除链表分配给应用程序，当OS回收的时候，会将其放回链表，但是这个办法经历了长时间的内存管理以后，OS的内存将会一团糟，这个时候操作系统又会合并相邻块，之后内存又成为了一个整体。

如何选择链表中的内存块？

匹配算法备注最优匹配在所有可以分割的节点中，选择内存最小的那个节点最差匹配在所有可以分割的节点中，选择内存最大的那个节点首次匹配寻找过程中，发现的第一个能匹配的节点下次匹配在首次匹配的基础上，每次查询的链表起点就是上一次匹配的节点

有趣的匹配算法

分离空闲列表：

如果某个应用程序经常申请一种（或几种）大小的内存空间，那就用一个独立的列表，只管理这样大小的对象。其他大小的请求都交给更通用的内存分配程序。

伙伴系统:

第18章分页：介绍

页表是什么，在哪里？

用一张表，储存虚拟地址到物理地址的映射，往往虚拟地址和物理地址的前几位是不同的，这些不同的位被称为页，而剩下的成为偏移量。从虚拟地址映射到物理地址只需要将前几位进行转换即可，这张表就叫做页表。

页表储存在内存中，每个进程都拥有一份自己的页表。

页表中有什么

页表往往是一个数组映射，所以没有物理叶帧（数组下标）

代号意义备注 P 存在位表示该页表是否被进程申请使用 R/W 读写权限位表示该页面权限是可读还是可写 U/S 访问是否需要特权级 PWT PCD A 访问位近期是否访问过该页 D 脏位该页是否被写 PAT G ？操作系统自定义使用 PFN 叶帧

分页很慢

分页机制导致与内存发生的交互次数翻倍了，程序更慢了。

第19章分页：快速地址转换（TLB）

高速页表缓冲区：地址转换旁路缓冲存储器（translation-lookasidebuffer）

这是一个硬件，他能缓存页表地址转化，速度远高于内存读取

TLB未命中

TLB和其他缓存相似，前提是在一般情况下，转换映射会在缓存中（即命中）。如果是这样，只增加了很少的开销，因为TLB处理器核心附近，设计的访问速度很快。如果TLB未命中，就会带来很大的分页开销。必须访问页表来查找转换映射，导致一次额外的内存引用（或者更多，如果页表更复杂）。如果这经常发生，程序的运行就会显著变慢。相对于大多数CPU指令，内存访问开销很大，TLB未命中导致更多内存访问。因此，我们希望尽可能避免TLB未命中。

一般是操作系统来处理未命中，发生未命中，硬件抛异常，进入内核，陷入操作系统，操作系统更新TLB，返回之前的未命中代码进行重试

重点细节：

返回进入陷阱的那条代码重试。
OS千万不能在处理TLB时又触发未命中，这将导致无限递归。

进程上下文切换

页表是进程私有的，如果发生了进程上下文切换，则TLB全部变为无效。

上下文切换的时候清空TLB，这是一个可行的解决方案，进程不会再读到错误的地址映射。但是，有一定开销：每次进程运行，当它访问数据和代码页时，都会触发TLB未命中。如果操作系统频繁地切换进程，这种开销会很高。

为了减少这种开销，一些系统增加了硬件支持，实现跨上下文切换的TLB共享。比如有的系统在TLB中添加了一个地址空间标识符（Address Space Identifier，ASID）。可以把ASID看作是进程标识符（Process Identifier，PID），但通常比PID位数少（PID一般32位，ASID一般是8位）。

TLB项中有什么

TLB是并行硬件，他可以并行查找

代号意义备注 VPN R/W 全局位是否全局共享 PWT 进程空间属于哪个进程 PFN C 一致位决定硬件如何缓存 D 脏位是否被写入新数据 V 有效位该映射是否有效（注意区别页表的存在位）

第20章分页：较小的表

页表太大，因此消耗的内存太多。

假设一个32位地址空间（232字节），4KB（212字节）的页和一个4字节的页表项。一个地址空间中大约有一百万个虚拟页面（232/212）。乘以页表项的大小，你会发现页表大小为4MB。

使用更大的页

这种方法的主要问题在于，大内存页会导致每页内的浪费，这被称为内部碎片（internalfragmentation）问题

结合分段

我们可能有3个页表，地址空间的代码、堆和栈部分各有一个

杂合方案的关键区别在于，每个分段都有界限寄存器，每个界限寄存器保存了段中最大有效页的值。

分段并不像我们需要的那样灵活，因为它假定地址空间有一定的使用模式。例如，如果有一个大而稀疏的堆，仍然可能导致大量的页表浪费。

多级页表

分配更多级的页表，这是使用时间换空间

反向页表

记录物理页映射到虚拟页，而不是虚拟页映射到物理页

第21章超越物理内存：机制

我们的内存始终是有限的，如何超越这个限制，为应用程序提供无限空间的假象呢？

操作系统如何利用大而慢的设备，透明地提供巨大虚拟地址空间的假象？

操作系统利用大而慢的磁盘和内存中的数据进行交换，借此实现了超越物理内存的目的。

页错误

如果一个页不存在，它已被交换到硬盘，在处理页错误的时候，操作系统需要将该页交换到内存中。那么，问题来了：操作系统如何知道所需的页在哪儿？在许多系统中，页表是存储这些信息最自然的地方。因此，操作系统可以用PTE中的某些位来存储硬盘地址，这些位通常用来存储像页的PFN这样的数据。当操作系统接收到页错误时，它会在PTE中查找地址，并将请求发送到硬盘，将页读取到内存中。

交换何时发生？

OS不会等到内存完全满了才进行交换，OS往往会预留BUF。

为了保证有少量的空闲内存，大多数操作系统会设置高水位线（High Watermark，HW）和低水位线（Low Watermark，LW），来帮助决定何时从内存中清除页。原理是这样：当操作系统发现有少于LW个页可用时，后台负责释放内存的线程会开始运行，直到有HW个可用的物理页。这个后台线程有时称为交换守护进程（swap daemon）或页守护进程（page daemon）[插图]，它然后会很开心地进入休眠状态，因为它毕竟为操作系统释放了一些内存

第22章超越物理内存：策略

最优替换策略

只存在于理论上的策略，他的作用是评估其他算法

FIFO

先进先出

补充：Belady的异常Belady（最优策略发明者）及其同事发现了一个有意思的引用序列[BNS69]。内存引用顺序是：1，2，3，4，1，2，5，1，2，3，4，5。他们正在研究的替换策略是FIFO。有趣的问题：当缓存大小从3变成4时，缓存命中率如何变化？

一般来说，当缓存变大时，缓存命中率是会提高的（变好）。但在这个例子，采用FIFO，命中率反而下降了！你可以自己计算一下缓存命中和未命中次数。这种奇怪的现象被称为Belady的异常（Belady’s Anomaly）。

其他一些策略，比如LRU，不会遇到这个问题。可以猜猜为什么？事实证明，LRU具有所谓的栈特性（stack property）[M+70]。对于具有这个性质的算法，大小为N + 1的缓存自然包括大小为N的缓存的内容。因此，当增加缓存大小时，缓存命中率至少保证不变，有可能提高。先进先出（FIFO）和随机（Random）等显然没有栈特性，因此容易出现异常行为。

随机

随机选择一个换出去

LRU

最近最少使用的页面，在最近的一段时间访问的页面中，过了很久都没有访问的那个页面，踢出去，这个算法速度较慢

近似LRU（时钟算法）

每当页被引用（即读或写）时，硬件将使用位设置为1。但是，硬件不会清除该位（即将其设置为0），这由操作系统负责

时钟指针（clock hand）开始时指向某个特定的页（哪个页不重要）。当必须进行页替换时，操作系统检查当前指向的页P的使用位是1还是0。如果是1，则意味着页面P最近被使用，因此不适合被替换。然后，P的使用位设置为0，时钟指针递增到下一页（P + 1）。该算法一直持续到找到一个使用位为0的页，使用位为0意味着这个页最近没有被使用过

脏页问题

如果一个页被修改，他会变成脏页，踢出去必须写回磁盘，这非常昂贵

为了支持这种行为，硬件应该包括一个修改位（modified bit，又名脏位，dirty bit）。每次写入页时都会设置此位，因此可以将其合并到页面替换算法中。例如，时钟算法可以被改变，以扫描既未使用又干净的页先踢出。

抖动

当内存超额的时候，系统疯狂的进行换页，这被称为抖动。现代操作系统一旦检测到抖动，就会将某些内存密集型进程杀死。

第28章锁

笔者：从这一章开始，到并发结束，都很难

我们希望原子式执行一系列指令，但由于单处理器上的中断（或者多个线程在多处理器上并发执行），我们做不到

如何评价一个锁？

首先是锁能否完成它的基本任务，即互斥；第二是公平性；最后是性能

控制中断

早期的解决方案是在临界区关闭中断。他有很多缺点

这种方法要求我们允许所有调用线程执行特权操作，这会导致很多麻烦，贪婪的线程独占CPU，恶意的程序死循环，系统就崩溃了
无法支持多CPU
丢失中断
效率低下

Peterson算法

一段时间以来，出于某种原因，大家都热衷于研究不依赖硬件支持的锁机制。后来这些工作都没有太多意义，因为只需要很少的硬件支持，实现锁就会容易很多（实际在多处理器的早期，就有这些硬件支持）。而且上面提到的方法无法运行在现代硬件（应为松散内存一致性模型），导致它们更加没有用处。更多的相关研究也湮没在历史中……

Test And Set

这是一个操作系统原子指令，把一个内存变量赋予新的值，并返回旧的值。

然后我们就可以实现锁了

// 操作系统原语伪代码
int testAndSet(int*ptr, int value) {
    int old = *ptr;
    *ptr = value;
    return old;
}

// 锁
struct TasLock {
    int flag;

    TasLock() {
        flag = 0;
    }

    void lock() {
        while (testAndSet(&flag, 1) == 1){
            // do nothing;
        }
    }

    void unlock() {
        flag = 0;
    }
};

这个锁是正确的，但是他没办法保证公平，会出现饿死，在单CPU上他的性能很差，如果一个线程获取锁失败，他会一直自旋，直到时间片用完，在多CPU（线程数=CPU数）上表现不错

Compare And Swap

比较并交换，如果和旧值相等，就赋值，否则什么也不做

这个算法和上面的test and set区别其实不大

// 操作系统原语伪代码
int cas(int*ptr, int expected, int value) {
    int old = *ptr;
    if(old == expected) {
        *ptr = value;
    }
    return old;
}

// 锁
struct CasLock {
    int flag;

    CasLock() {
        flag = 0;
    }

    void lock() {
        while (cas(&flag, 0, 1) == 1){
            // do nothing;
        }
    }

    void unlock() {
        flag = 0;
    }
};

链接的加载和条件式存储指令

这个算法和test and set也是一样

// 操作系统原语伪代码
int loadLinked(int *ptr) {
    return *ptr;
}
int storeConditional(int *ptr, int value) {
    if(自从ptr被loadLinked以来，他没有更新过) {
        *ptr = value;
        return 1; // success
    } else {
        return 0; // failed
    }
}

// 锁
struct LoadLinkeLock {
    int flag;

    LoadLinkeLock() {
        flag = 0;
    }

    void lock() {
        while (true){
            while (loadLinked(&flag) == 1) {
                // do noting
            }
            if(storeConditional(&flag, 1) == 1) {
                break;
            }
        }
    }

    void unlock() {
        flag = 0;
    }
};

Fetch And Add

返回旧值并让这个值加一

// 操作系统原语伪代码
int fetchAndAdd(int *ptr) {
    int old = *ptr;
    *ptr = old + 1;
    return old;
}

// 锁
struct FAALock {
    int turn;
    int ticket;

    FAALock() {
        turn = 1;
        ticket = 0;
    }

    void lock() {
        int myTurn = fetchAndAdd(ticket);
        while(turn != myTurn) {
            // do noting
        }
    }

    void unlock() {
        fetchAndAdd(turn);
    }
};

这个方法其实比较厉害，他能保证公平

自旋太费CPU了

让我稍微改进一下testAndSet的lock函数，新的方法避免了自旋，但是他依然会出现饥饿，例如一个线程每次都yield，另一个线程一直进出临界区

// 继承TasLock  
struct YieldTasLock : TasLock {
    YieldTasLock() {
        supper();
    }
    // Override
    void lock() {
        while (testAndSet(&flag, 1) == 1){
            yield(); // 主动放弃CPU，切换到其他线程
        }
    }
}

休眠队列

我们可以改进TasLock锁，改进之后的锁产生饥饿的概率变小了，唯一的自旋出现在内置tasLock中，但是这个锁等待的时间是有限的

struct SleepQueueLock {
    int flag;
    TasLock *tasLock;
    Queue *queue;

    SleepQueueLock() {
        flag = 0;
        tasLock = new TasLock();
        queue = new Queue();
    }

    void lock() {
        tasLock.lock(); // 自旋获取锁
        // 进入临界区
        if(flag == 0) {
            flag = 1;
            tasLock.unlock(); // 离开临界区解锁
        } else {
            queue.add(getThreadId()); // 把线程加入队列
            tasLock.unlock(); // 离开临界区解锁， 先解锁后park，否则死锁
            // 如果注释所在的这一行发生了上下文切换，那么这个线程就可能会永远沉睡了
            park(); // 线程休眠 ， 
        }
    }

    void unlock() {
        tasLock.lock(); // 自旋获取锁
        // 进入临界区
        if(queue.isEmpty()) {
            flag = 0
        } else {
            // 这里不用设置flag=0
            unpark(queue.remove()); //唤醒一个在队列中的x
        }
        tasLock.unlock();  // 离开临界区解锁
    }
}

最后，你可能注意到解决方案中的竞争条件，就在park()调用之前。如果不凑巧，一个线程将要park，假定它应该睡到锁可用时。这时切换到另一个线程（比如持有锁的线程），这可能会导致麻烦。比如，如果该线程随后释放了锁。接下来第一个线程的park会永远睡下去（可能）。这种问题有时称为唤醒/等待竞争（wakeup/waiting race）。为了避免这种情况，我们需要额外的工作。Solaris通过增加了第三个系统调用separk()来解决这一问题。通过setpark()，一个线程表明自己马上要park。如果刚好另一个线程被调度，并且调用了unpark，那么后续的park调用就会直接返回，而不是一直睡眠。

两阶段锁

先自旋一段时间，如果还是没有获得锁，就直接睡眠。

第29章基于锁的并发数据结构

并发计数器

struct Counter {
    int value;
    Lock lock;
    
    Counter() {
        value = 0;
        lock = new Lock();
    }
    
    void increment() {
        lock.lock();
        value ++;
        lock.unlock();
    }
    
    void get() {
        lock.lock();
        int res = value;
        lock.unlock();
        return res;
    }
}

这个并发计数器遵循了最简单的结构，即直接加锁。他唯一不好的地方就是他的性能太差，并发度很低。

惰性并发计数器

struct LazyCounter {
    int* threadValue;
    int lazyBounder;
    
    int value;
    Lock lock;
    
    LazyCounter(int threadNumber,int lazyBounder) {
        threadValue = new int[threadNumber];
        for (int i = 0; i < threadNumber; i++) {
            threadValue[i] = 0;
        }
        this->lazyBounder = lazyBounder;
        
        value =  0;
        lock = new Lock();
    }
    
    void increment(int threadId) {
        threadValue[threadId] ++;
        if(threadValue[threadId] = lazyBounder) {
            lock.lock();
            value += lazyBounder;
            lock.unlock();
            threadValue[threadId] = 0;
        }
    }
    
    void get() {
        lock.lock();
        int res = value;
        lock.unlock();
        return res;
    }
}

惰性并发计数器为每一个线程分配了一个自己的惰性累和，只有当这个累和打到了阈值以后，才会加入到全局的累和中。这个数据结构提高了并发度。

并发链表

struct List {
    struct ListNode {
        int value;
        Listnode* next;
        // ... 全参构造函数
    };

    ListNode* head;
    Lock* lock;
    // ... 全参构造函数

    void insert(int value) {
        lock.lock();
        ListNode* listNode = new ListNode(value, null);
        if (listNode == null) {
            perror("没有足够的空间");
            lock.unlock();
            return -1; // failed
        }
        listNode->next = head;
        head = listNode;
        lock.unlock();
    }
}

从代码中可以看出，代码插入函数入口处获取锁，结束时释放锁。如果new失败（在极少的时候），会有一点小问题，在这种情况下，代码在插入失败之前，必须释放锁。

事实表明，这种异常控制流容易产生错误。最近一个Linux内核补丁的研究表明，有40%都是这种很少发生的代码路径（实际上，这个发现启发了我们自己的一些研究，我们从Linux文件系统中移除了所有内存失败的路径，得到了更健壮的系统[S+11]）。

另一方面，锁的粒度还可以更小

void insert(int value) {
    ListNode* listNode = new ListNode(value, null);
    if (listNode == null) {
        perror("没有足够的空间");
        lock.unlock();
        return -1; // failed
    }

    lock.lock();
    listNode->next = head;
    head = listNode;
    lock.unlock();
}

过手锁

原理也很简单。每个节点都有一个锁，替代之前整个链表一个锁。遍历链表的时候，首先抢占下一个节点的锁，然后释放当前节点的锁。

从概念上说，过手锁链表有点道理，它增加了链表操作的并发程度。但是实际上，在遍历的时候，每个节点获取锁、释放锁的开销巨大，很难比单锁的方法快。即使有大量的线程和很大的链表，这种并发的方案也不一定会比单锁的方案快。也许某种杂合的方案（一定数量的节点用一个锁）值得去研究。

如果方案带来了大量的开销（例如，频繁地获取锁、释放锁），那么高并发就没有什么意义。如果简单的方案很少用到高开销的调用，通常会很有效。增加更多的锁和复杂性可能会适得其反。

并发队列

第一个方法依然是加一个大锁，这很简单。现在我们考虑其他做法。

另一个方法是对队首和队尾分别加锁。

struct Queue {
    struct QueueNode {
        int value;
        QueueNode* next;
        // ... 构造函数
    };

    QueueNode head;
    QueueNode tail;
    Lock headLock;
    Lock tailLock;
    // ... 构造函数

    void enQueue(int value) {
        QueueNode* tmp = new QueueNode(value, null);
        assert(tmp != NULL);

        tailLock.lock();
        tail->next = tmp;
        tail = tmp;
        tailLock.unlock();
    }

    bool deQueue(int* target) {
        headLock.lock();
        QueueNode* tmp = head;
        QueueNode* newHead = head->next;
        if(newHead == NULL) {
            headLock.unlock();
            return false;
        }

        *target = newHead->value; // 取出队首
        head = newHead; // 更新指向队首的节点
        headLock.unlock();

        delete tmp;
        return true;
    }

}

并发散列表

我们可以直接利用前面的并发链表来实现并发散列表，不需要增加额外的锁。

第30章条件变量

wait与signal

前面我们了解了锁，但是锁并非并发程序设计所需的唯一原语。

具体来说，在很多情况下，线程需要检查某一条件（condition）满足之后，才会继续运行。例如，父线程需要检查子线程是否执行完毕 [这常被称为join()]。

下面展示一个使用wait()和signal()实现的父线程等待子线程的情况,

当线程睡眠可以调用wait，线程被唤醒时会自动获取锁

当另一个线程想要唤醒在这个条件变量上等待的线程时，可以调用signal，当然唤醒后不一定马上切换过去运行

struct Condition {
    void wait(Lock lock); //释放锁并睡眠,醒来时获取锁
    void signal(); // 唤醒在此条件上等待的线程
}

bool done = false;
Mutex *mutex = new Mutex();
Condition *condition = new Condition();

void threadExit() {
    mutex.lock();
    done = true;
    condition->signal();
    mutex.unlock();
}
void child(void *arg) {
    printf("child\n");
    threadExit();
}

void threadJoin() {
    mutex.lock();
    while(!done) {
        condition->wait(mutex);
    }
    mutex.unlock();
}

int main() {
    print("parent: begin\n");
    pthread_t p;
    Pthread_create(&p, NULL, child, NULL);
    threadJoin();
    printf("parent: end\n");
}

生产者消费者

我们假设只有一个生产者，一个消费者，

Condition *condition;
Mutex *mutex;
Queue *queue; //无并发控制的Queue

void producer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        mutex->lock();
        if(queue->fill()) {
            condition->wait(mutex); // 队列满了，无法生产，进入睡眠
        }
        queue->insert(i); // 放入了一个东西
        condition->signal(); // 唤醒等待条件的线程
        mutex->unlock();
    }
}

void consumer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        mutex->lock();
        if(queue->empty()) {
            condition->wait(mutex); // 队列空了， 无法消费，进入睡眠
        }
        queue->remove(); // 从队列中取出元素，消费
        condition->signal(); // 唤醒等待条件的线程
        mutex->unlock();
    }
}

如果只有一个消费者和一个生产者，这个代码正常工作，但是如果违反了这两个条件，这段代码会出现两个问题。

暂停思考

8行和20行不能使用if，应该是while，例如一个消费者首先wait，然后一个生产者生产并signal，接着又一个消费者抢先获取锁，并进行了消费，最后CPU调度到第一个消费者时，他已经执行过if，直接强行消费，主要原因因为被唤醒后不一定直接执行，CPU可能调度其他线程，
生产者应该唤醒消费者，消费者应该唤醒生产者

Condition *empty;
Condition *fill;
Mutex *mutex;
Queue *queue; //无并发控制的Queue

void producer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        mutex->lock();
        while (queue->fill()) {
            fill->wait(mutex); // 队列满了，无法生产，进入睡眠,
        }
        queue->insert(i); // 放入了一个东西
        empty->signal(); // 唤醒等待条件的线程
        mutex->unlock();
    }
}

void consumer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        mutex->lock();
        while (queue->empty()) {
            empty->wait(mutex); // 队列空了， 无法消费，进入睡眠
        }
        queue->remove(); // 从队列中取出元素，消费
        fill->signal(); // 唤醒等待条件的线程
        mutex->unlock();
    }
}

覆盖条件

即唤醒所有的线程，而不是signal中的唤醒一个。

第31章信号量

Dijkstra及其同事发明了信号量，作为与同步有关的所有工作的唯一原语。你会看到，可以使用信号量作为锁和条件变量

接下来是信号量的定义

struct Semaphore {
    int value;
    // ... 全参构造函数

    int wait() {
        // Dijkstra 称之为 P()， 荷兰语： to probe
        // 人们有时候会用 down()
        // 要么直接返回，要么挂起并等待post
        // value --, 如果value为负数，则挂起等待
    }

    int post() {
        // Dijkstra 称之为 V()， 荷兰语： to test
        // 人们有时候会用 up()
        // 增加信号量，如果有等待的线程，则唤醒
        // value ++， 如果有一个或多个线程等待，则唤醒一个
    }
}

二值信号量（锁）

如果初始信号量为1，则信号量就是锁

信号量作为条件变量

如果初始信号量为0，则信号量就是条件变量

生产者与消费者

先来一个很简单的有bug的代码，来找找bug（一个）

Semaphore *fill = new Semaphore(0); //
Semaphore *empty = new Semaphore(MAX); // 初始队列没有任何东西，视为全部是空

void producer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        empty->wait(); // 等待空的条件
        queue->insert(i); // 放入了一个东西
        fill->post(); // 通知消费者，满
    }
}

void consumer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        fill->wait(); // 等待满的条件
        queue->remove(); // 从队列中取出元素，消费
        empty->post(); // 通知生产者，空
    }
}

bug很明显，没有锁。如果有多个生产者，他们会同时执行第7行，这将导致很明显的并发问题，我们通过下面的代码直接加锁,但是这和条件变量相比，还是有一点问题，他会死锁，由于条件变量的wait会释放锁，但是信号量却不会。

Semaphore *fill = new Semaphore(0); //
Semaphore *empty = new Semaphore(MAX); // 初始队列没有任何东西，视为全部是空
+ Semaphore *mutex = new Semaphore(1); // 锁

void producer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
+        mutex->wait();
        empty->wait(); // 等待空的条件
        queue->insert(i); // 放入了一个东西
        fill->post(); // 通知消费者，满
+        mutex->post();
    }
}

void consumer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
+        mutex->wait();
        fill->wait(); // 等待满的条件
        queue->remove(); // 从队列中取出元素，消费
        empty->post(); // 通知生产者，空
+        mutex->post();
    }
}

最后我们交换锁的位置，这个程序就并发安全了。但是为什么？又该如何证明一个程序时并发安全的？

Semaphore *fill = new Semaphore(0); //
Semaphore *empty = new Semaphore(MAX); // 初始队列没有任何东西，视为全部是空
Semaphore *mutex = new Semaphore(1); // 锁

void producer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        empty->wait(); // 等待空的条件
        mutex->wait();
        queue->insert(i); // 放入了一个东西
        mutex->post();
        fill->post(); // 通知消费者，满
    }
}

void consumer(int loops) {
    for(int i = 0; i < loops; i++) {
        fill->wait(); // 等待满的条件
        mutex->wait();
        queue->remove(); // 从队列中取出元素，消费
        mutex->post();
        empty->post(); // 通知生产者，空
    }
}

读写锁，哲学家进餐，吸烟者问题，理发师问题？

再见。代码谁都可以看懂，但是你知道如何证明他是对的吗？

实现信号量

让我们用锁和条件变量来实现信号量

struct Semaphore {
    int value;
    Condition *condition;
    Lock *lock;
    
    Semaphore(int value) {
        this->value = value;
        this->condition = new Condition();
        this->lock = new Lock();
    }
    
    void wait() {
        lock->lock();
        value --;
        while(value < 0) {
            condition->wait(lock);
        }
        lock->unlock();
    }
    
    void post() {
        lock->lock();
        value ++;
        condition->signal();
        lock->unlock();
    }
}

第32章常见并发问题

非死锁问题

Lu的研究表明，非死锁问题占了并发问题的大多数。它们是怎么发生的？我们如何修复？我们现在主要讨论其中两种：违反原子性（atomicity violation）缺陷和错误顺序（order violation）缺陷

死锁问题

循环等待

让锁具有偏序关系，Linux中的内存映射代码就是偏序锁。尽管如此依然容易犯错，比如当一个程序要获取多个锁，可能会lock(Mutex *mu1,Mutex *mu2*)，如果两个线程像下面这样，依然会死锁。

// thread1:
lock(lock1, lock2);

// thread2:
lock(lock2, lock1);

我们可以通过按照锁的地址顺序，来对锁进行依次加锁。

持有并等待

他需要一次性获取所有的锁，但这不利于封装

非抢占

这不现实，但是一般我们使用tryLock()来获取锁，如果失败就释放这段时间获取的所有的锁，然后重试。

top:
    l1.lock();
    if(!l2.trylock()) {
        l1.unlock();
        goto top;
    }

但这会引发活锁，如果两个线程不断重复获取对方的锁，并在失败时释放自己的锁，无限循环，谁也无法获取全部锁。

互斥

避免互斥往往很难，我们一般是使用无等待数据结构，比如利用CAS等操作

通过调度

这需要了解线程需要的锁有哪些，让那些可能会共同持有一把锁的线程不重叠运行即可，但这会限制并发

检查与恢复

定期检查死锁，发现死锁则重启系统

第33章基于事件的并发（进阶）

我们使用的基本方法就是基于事件的并发（event-based concurrency）。该方法很简单：我们等待某事（即“事件”）发生；当它发生时，检查事件类型，然后做少量的相应工作（可能是I/O请求，或者调度其他事件准备后续处理）。这就好了！

while(true) {
    events = getEvents();
    for (e in events) {
        processEvents(e);
    }
}

但是这个getEvents要怎么写呢？

select

man select

1
2

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
                  fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

要如何使用它呢？我们先调用select，然后使用for遍历readfds来检查是否有事件发生，一旦发生了事件我们就可以传给服务器解决了。

FD_ZERO() clears a set. FD_SET() and FD_CLR() respectively add and remove a given file descriptor from a set. FD_ISSET() tests to see if a file descriptor is part of the set; this is useful after select() returns.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval;

    /* Watch stdin (fd 0) to see when it has input. */

    FD_ZERO(&rfds);
    FD_SET(0, &rfds);

    /* Wait up to five seconds. */

    tv.tv_sec = 5;
    tv.tv_usec = 0;

    retval = select(1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
    /* Don't rely on the value of tv now! */

    if (retval == -1)
        perror("select()");
    else if (retval)
        printf("Data is available now.\n");
        /* FD_ISSET(0, &rfds) will be true. */
    else
        printf("No data within five seconds.\n");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

阻塞

如果在事件服务器中出现了阻塞调用，那么整个系统都将被阻塞，这是极其严重的错误！

异步IO

man aio

#include <aiocb.h>

struct aiocb {
    /* The order of these fields is implementation-dependent */

    int             aio_fildes;     /* File descriptor */
    off_t           aio_offset;     /* File offset */
    volatile void  *aio_buf;        /* Location of buffer */
    size_t          aio_nbytes;     /* Length of transfer */
    int             aio_reqprio;    /* Request priority */
    struct sigevent aio_sigevent;   /* Notification method */
    int             aio_lio_opcode; /* Operation to be performed;
                                                  lio_listio() only */

    /* Various implementation-internal fields not shown */
};

/* Operation codes for 'aio_lio_opcode': */

enum { LIO_READ, LIO_WRITE, LIO_NOP };

填充这个结构体以后，我们使用异步IO，如果成功，它会立即返回。

int aio_read(struct aiocb *aiocbp);

最后我们用aid_eror来检查io是否完成

int aio_error(const struct aiocb *aiocbp);

状态管理

在多线程程序中，如果一个线程阻塞，当他苏醒时，他的状态依然保存在上下文中，但是对于基于事件的系统，就没有那个容易了，他只有一个线程，他的状态放在哪儿呢？

对于IO，解决方案是上下文信息记录在由文件描述符（fd）索引的某种数据结构（例如，散列表）中。当磁盘I/O完成时，通过数据结构恢复上下文。

第36章 I/O设备

操作系统架构

由于高性能总线造价高，所以内存总线很短，CPU与内存很接近。

设备协议

一个（简化的）设备接口包含3个寄存器：一个状态（status）寄存器，可以读取并查看设备的当前状态；一个命令（command）寄存器，用于通知设备执行某个具体任务；一个数据（data）寄存器，将数据传给设备或从设备接收数据。通过读写这些寄存器，操作系统可以控制设备的行为。

该协议包含4步。第1步，操作系统通过反复读取状态寄存器，等待设备进入可以接收命令的就绪状态。我们称之为轮询（polling）设备（基本上，就是问它正在做什么）。第2步，操作系统下发数据到数据寄存器。例如，你可以想象如果这是一个磁盘，需要多次写入操作，将一个磁盘块（比如4KB）传递给设备。如果主CPU参与数据移动（就像这个示例协议一样），我们就称之为编程的I/O（programmed I/O，PIO）。第3步，操作系统将命令写入命令寄存器；这样设备就知道数据已经准备好了，它应该开始执行命令。最后一步，操作系统再次通过不断轮询设备，等待并判断设备是否执行完成命令（有可能得到一个指示成功或失败的错误码）。

利用中断

有了中断后，CPU 不再需要不断轮询设备，而是向设备发出一个请求，然后就可以让对应进程睡眠，切换执行其他任务。当设备完成了自身操作，会抛出一个硬件中断，引发CPU跳转执行操作系统预先定义好的中断服务例程（Interrupt Service Routine，ISR），或更为简单的中断处理程序（interrupthandler）。

为什么要这样设计，因为IO要远比CPU慢，如果我们有一个和CPU速度一样的IO设备，我们就不需要中断，中断产生的上下文切换反而会影响系统的速度。

活锁

由于大量中断的出现，导致CPU不停的进行上下文切换，引发过载，从而无法处理任何请求，在网络传输中，如果每个包都引发一次中断，就会导致活锁，往往通过合并中断来处理这种情况。

设备在抛出中断之前往往会等待一小段时间，在此期间，其他请求可能很快完成，因此多次中断可以合并为一次中断抛出，从而降低处理中断的代价。

DMA(Direct Memory Access)

在PIO(programmed I/O)中，CPU会花费大量时间将数据传给设备，这浪费了CPU资源，如下图中的c部分

DMA的引入，CPU只需要通知DMA设备，DMA设备会帮助CPU执行c部分，当DMA处理完成以后，他会触发中断，让CPU完成接下来的任务

CPU如何与设备交互

IO指令，x86直接使用IO指令来与硬件交互。

内存映射IO，操作系统只需要将数据写入或者读取到某内存地址，即完成了硬件的交互，比如显卡在内存中就有一块映射。

第37章磁盘驱动器

读写

磁盘驱动器由大量扇区组成，每个扇区512B，驱动器制造商保证每个扇区的写入是原子的，读取可以支持多个扇区一次性读入。

磁盘结构

圆的，每一圈都是一个磁道，每个磁道有多个扇区

匪夷所思的平均寻道时间

磁盘调度

操作系统应该如何设计磁盘的IO顺序呢？磁盘读写全部依赖磁头。磁头先定位磁道，然后定位扇区，最后读取数据。但是先读哪里，后读哪里？先写哪里后写哪里？

简称全称中文名备注问题 SSTF shortest seek time first 最短寻道时间只考虑磁道，哪个IO磁道近就去哪儿饥饿，无法利用几何结构 NBF nearest block first 最近块优先考虑磁盘的物理距离饥饿 SCAN 电梯算法按电梯顺序扫描磁道没有考虑旋转 SPTF shortest positioning time first 最短接入时间同时考虑寻道和定位的时间

第38章廉价冗余磁盘阵列（RAID）

提出问题

磁盘很小，磁盘很慢，磁盘不可靠

RAID的简介

优点

RAID外部接口和普通磁盘一致，可以无缝接入
可以通过并行读取加快IO速度
由于冗余的存在，RAID非常可靠

RAID内部十分复杂，包括处理器，内存和磁盘，他甚至是一个非常专业的计算机系统

RAID有三个重要的设计，RAID 0级别， RAID 1级， RAID 4/5级

RAID 0级：条带化

无冗余，性能很高，容量最大

通过交错的方式，将块分布在各个磁盘上，如果我们读取0-3，便可以并行读取4个磁盘

还支持更大的块

RAID 1级：镜像

为每一个块设计一些副本

RAID 4级：奇偶校验

RAID 5级：旋转奇偶校验

第40章文件系统实现

S 是超级块，储存文件系统的信息，包括文件系统中有多少inode和数据块

i 是inode的位图

d是data的位图

I 是inode的实际储存

D是data的实际储存

inode

inode是文件的低级名称，储存了文件的元数据结构，长度、权限、存放位置等。

多级索引

ext2文件系统中，inode上存放位置信息的是15个磁盘指针，为了支持更大的文件，可以引入间接指针，inode可以拥有固定数量的直接指针和间接指针，间接并不指向用户的数据块，而是指向包含更多指针的块。为什么要用这样一种设计，为什么要用这样的不平衡的树？

原因是研究表明，大多数文件非常小。

基于链表的储存

为什么不用链表来连接数据块，让一块数据块的末尾指向下一块数据块？总所周知链表的查询是O（n）的，所以如果我们想要读取文件的最后几个字节，这将直接导致我们读取几乎整个文件。

空闲空间管理

我们用位图来表示空间是否被占用。早期的文件系统使用空闲列表指针（参考操作系统内存分配算法中的空闲列表指针）

打开文件/foo/bar.txt

假设超级快已经在内存中了

graph TB
  A[查询/的inode]-->B[读取一个或多个/的数据块 ]-->C[查询目录/foo的inode]-->D
  D[读取一个或多个/foo/的数据块]-->E[查询文件/foo/bar.txt的inode]-->F[读取全部/foo/bar.txt的数据块]
  style B fill: lightyellow
  style D fill: lightyellow
  style F fill: lightyellow

写入、创建文件/foo/bar

写入文件比读取复杂很多，如果要分配额外的块，写入将导致至少5次IO：读取数据位图、写入位图、两次读取然后写入inode、最后写入真正的数据块

创建文件就更加复杂了，读取inode位图、写入inode位图、写入新的inode（为新建的文件分配inode）、写入目录数据、更新目录的inode，如果目录会增长，还要额外的IO来处理数据位图和新目录块。

接下来我们演示创建文件/foo/bar并写入3个块的数据, 可以看到里面有大量的IO

graph TB
  C1[读取/的inode] --> C2[读取/的数据块] 
  C2-->C3[查询/foo的inode] --> C4[读取/foo的inode] --> C5[读取/foo的数据块] --> C6[把新文件的inode写入/foo]
  A1[读取inode位图]--> A2[为新文件的inode分配空间]-->A3[写入inode位图]
  B1[读取数据位图]--> B2[为新文件分配数据空间] --> B3[写入新文件数据]
  style A1 fill: lightyellow
  style B1 fill: lightyellow
  style C1 fill: lightyellow
  style C2 fill: lightyellow
  style C4 fill: lightyellow
  style C5 fill: lightyellow
  
  style A3 fill: lightblue 
  style B3 fill: lightblue 
  style C6 fill: lightblue

如何降低IO成本

读取文件可以引入缓存，早期的文件系统引入固定大小的缓存来保存常用的块，现代系统使用动态大小来进行缓存。
写入文件可以引入缓冲，现代文件系统会将写入在内存中缓存5~30秒，然后分批写入

第41章局部性和快速文件系统

早期的文件系统把磁盘当作内存来管理，完全忽略了磁盘昂贵的定位成本，导致性能不佳。

磁盘碎片问题，由于文件系统的不断使用，导致剩余的数据空间都是一些零星的碎片，当我们分配一个较大的文件的时候，他的数据块将散布到这些零星的位置，这将直接导致当我们读取他的时候会有很多磁盘的寻道定位现象，这严重影响了速度。

FFS

FFS将磁盘分成很多个块

利用局部性， FFS利用文件的局部性，很多应用程序在访问文件的时候，大多情况都具有局部性，当你访问了一个目录的文件以后，有很大的可能访问同目录下的其他文件，所以FFS将他们尽量组织在一同一个块

对于大型文件，FFS会将大文件散布到所有的块中

第42章崩溃一致性：FSCK和日志

我们对文件的写入通常有很多次IO，如果在这期间操作系统崩溃了，我们该怎么办

定期检查整个文件系统, 但是这无法处理垃圾数据（inode指向了无效的被分配了的数据块）

早期的文件系统采用了一种简单的方法来处理崩溃一致性。基本上，它们决定让不一致的事情发生，然后再修复它们（重启时）。这种偷懒方法的典型例子可以在一个工具中找到：fsck[插图]。fsck是一个UNIX工具，用于查找这些不一致并修复它们[M86]。

预写日志

参考数据库系统的预写日志，先写TxBegin代表事务开始，然后写入事务的元数据，接着指向日志，最后写入TxEnd代表事务结束，如果在写入TxEnd后或者写入TxBegin前崩溃，能确保没有丢失数据，如果只有TxBegin没有TxEnd，我们可能需要启动文件系统扫描程序来检查了，Linux将这些发现的文件放入lost+found文件夹中

主席树（Copy On Write）

第43章日志结构文件系统

LFS

文件系统如何将所有写入转换为顺序写入？对于读取，此任务是不可能的，因为要读取的所需块可能是磁盘上的任何位置。但是，对于写入，文件系统总是有一个选择，而这正是我们希望利用的选择。

引入的新型文件系统Rosenblum和Ousterhout称为LFS，是日志结构文件系统（Log-structuredFile System）的缩写。写入磁盘时，LFS首先将所有更新（包括元数据！）缓冲在内存段中。当段已满时，它会在一次长时间的顺序传输中写入磁盘，并传输到磁盘的未使用部分。LFS永远不会覆写现有数据，而是始终将段写入空闲位置。由于段很大，因此可以有效地使用磁盘，并且文件系统的性能接近其峰值。