6.828 笔记3

这里会记录阅读6.828课程lecture note的我的个人笔记。可能会中英混杂，不是很适合外人阅读，也请见谅。

Lecture 3: C and gdb

这一讲基本上都是介绍工具，就不在此记录了，C的部分可以看K&R，gdb的部分可以直接搜课件。pointer.c的例子应该在lab1中已经进行了解释。

Lecture 4: Shell & OS organization

Lecture Topic

• kernel system call API
  • 细节与设计
  • isolation, multiplexing and sharing.
• 通过hw2来进行说明。

Overview Diagram

• user / kernel
• process = address space + thread(s)，就是一个运行中的程序
• app -> printf() -> write() -> SYSTEM CALL -> sys_write() -> ...
• user-level library是每个app自己的东西
• 而kernel internal function不能被用户调用

回顾作业（这部分就直接放在hw xv6 shell的那篇里面讲了，就不在这里赘述）。

UNIX system call observation

• fork/exec看起来很浪费，因为需要先复制parent的内存到child，之后再用exec替代。为什么不合二为一呢？

  因为分开非常方便。同时实际上因为使用了一些技巧（在lab4中有实现，就是利用page fault进行lazy allocation），fork的开销很小。

• file descriptor设计

  FDs are a level of indirection。

  • 真正的I/O环境被藏在内核里了。
  • 通过fork, exec进行保留。
  • imagine writefile(filename, offset, buf size) (这啥意思。。。)

  FD统一了console, pipe和files的接口

• 整体的设计哲学：用简洁的接口相互组合实现复杂功能。

• 为什么kernel需要pip而不用一个临时文件进行redirect:

  pipe有如下四点优势：

  • pipes automatically clean themselves up; with the file redirection, a shell would have to be

  careful to remove /tmp/xyz when done.

  • pipes can pass arbitrarily long streams of data, while file redirection requires enough free space on disk to store all the data. (这也是为什么pipe需要多个指令同时执行)

  • pipes allow for parallel execution of pipeline stages, while the file approach requires the first program to finish before the second starts.

  • if you are implementing inter-process communication, pipes’ blocking reads and writes are more efficient than the non-blocking semantics of files.

• 为什么kernel的system call只用int char作为buffer，而不用一个pointer指向kernel file object?

  我不确定这个是为什么，感觉就是为了isolation吧，如果给一个pointer，那用户就很容易把kernel代码搞崩。

• 核心的unix system call已经很古老了，have they held up well?

  yes, very successful!

  不过UNIX的一些地方不是完美的：

  • 很多时候system call并不需要很方便程序员使用，因为会被包装。
  • apps may have little to do with files &c, e.g. on smartphon （这个没懂。。。）

  一些UNIX abstractions不够高效：

  • 几个G的进程fork起来就很慢了
  • FD隐藏了一些可能很重要的细节内容，如硬盘上的block size，网络数据的timing and size (这两个应该都是被buffer给盖住了)

  所以一直都有备用方案：

  • 有的是一些新的system call
  • 有的就是完全抛弃UNIX的这一套另起炉灶。

OS organization

这部分最好先阅读一下xv6 book的第一章。

OS的主要目的之一是进行isolation。

• 处理器提供了user mode和kernel mode，前者不能处理privileged instructions
• OS是运行在kernel mode的

monolithic kernel

• xv6用了一种传统的设计，monolithic kernel，也就是OS完全运行于kernel mode
• kernel interface == system call interface
• 这样的有点是方便子系统相互协调，缺点是子系统之间的interaction会很复杂，也就bug prone

microkernel design

• 另外一种设计，让OS作为一个普通的user program。如file system再一个file server里。
• kernel implements minimal mechanism to run services in user space processes with memory 如IPC
• kernel interface != system call interface
• 好处是isolation更好了
• 坏处是性能会比较差

exokernel

• apps可以semi-directly使用

  apps can use hardware semi-directly, but O/S isolates e.g. app can read/write own page table, but O/S audits e.g. app can read/write disk blocks, but O/S tracks block owners good: more flexibility for demanding applications jos will be a mix of microkernel and exokernel

  （这里不是很明白，可能写完JOS作业就懂了...）

之后会有不适用硬件支撑kernel/user mode的isolation，叫Singularity O/S，之后的课中会讲到。