MIT6.S081
  • 简介
  • Lec01 Introduction and Examples (Robert)
    • 1.1 课程内容简介
    • 1.2 操作系统结构
    • 1.3 Why Hard and Interesting
    • 1.4 课程结构和资源
    • 1.5 read, write, exit系统调用
    • 1.6 open系统调用
    • 1.7 Shell
    • 1.8 fork系统调用
    • 1.9 exec, wait系统调用
    • 1.10 I/O Redirect
  • Lec03 OS Organization and System Calls (Frans)
    • 3.1 上一节课回顾
    • 3.2 操作系统隔离性(isolation)
    • 3.3 操作系统防御性(Defensive)
    • 3.4 硬件对于强隔离的支持
    • 3.5 User/Kernel mode切换
    • 3.6 宏内核 vs 微内核 (Monolithic Kernel vs Micro Kernel)
    • 3.7 编译运行kernel
    • 3.8 QEMU
    • 3.9 XV6 启动过程
  • Lec04 Page tables (Frans)
    • 4.1 课程内容简介
    • 4.2 地址空间(Address Spaces)
    • 4.3 页表(Page Table)
    • 4.4 页表缓存(Translation Lookaside Buffer)
    • 4.5 Kernel Page Table
    • 4.6 kvminit 函数
    • 4.7 kvminithart 函数
    • 4.8 walk 函数
  • Lec05 Calling conventions and stack frames RISC-V (TA)
    • 5.1 C程序到汇编程序的转换
    • 5.2 RISC-V vs x86
    • 5.3 gdb和汇编代码执行
    • 5.4 RISC-V寄存器
    • 5.5 Stack
    • 5.6 Struct
  • Lec06 Isolation & system call entry/exit (Robert)
    • 6.1 Trap机制
    • 6.2 Trap代码执行流程
    • 6.3 ECALL指令之前的状态
    • 6.4 ECALL指令之后的状态
    • 6.5 uservec函数
    • 6.6 usertrap函数
    • 6.7 usertrapret函数
    • 6.8 userret函数
  • Lec08 Page faults (Frans)
    • 8.1 Page Fault Basics
    • 8.2 Lazy page allocation
    • 8.3 Zero Fill On Demand
    • 8.4 Copy On Write Fork
    • 8.5 Demand Paging
    • 8.6 Memory Mapped Files
  • Lec09 Interrupts (Frans)
    • 9.1 真实操作系统内存使用情况
    • 9.2 Interrupt硬件部分
    • 9.3 设备驱动概述
    • 9.4 在XV6中设置中断
    • 9.5 UART驱动的top部分
    • 9.6 UART驱动的bottom部分
    • 9.7 Interrupt相关的并发
    • 9.8 UART读取键盘输入
    • 9.9 Interrupt的演进
  • Lec10 Multiprocessors and locking (Frans)
    • 10.1 为什么要使用锁?
    • 10.2 锁如何避免race condition?
    • 10.3 什么时候使用锁?
    • 10.4 锁的特性和死锁
    • 10.5 锁与性能
    • 10.6 XV6中UART模块对于锁的使用
    • 10.7 自旋锁(Spin lock)的实现(一)
    • 10.8 自旋锁(Spin lock)的实现(二)
  • Lec11 Thread switching (Robert)
    • 11.1 线程(Thread)概述
    • 11.2 XV6线程调度
    • 11.3 XV6线程切换(一)
    • 11.4 XV6线程切换(二)
    • 11.5 XV6进程切换示例程序
    • 11.6 XV6线程切换 --- yield/sched函数
    • 11.7 XV6线程切换 --- switch函数
    • 11.8 XV6线程切换 --- scheduler函数
    • 11.9 XV6线程第一次调用switch函数
  • Lec13 Sleep & Wake up (Robert)
    • 13.1 线程切换过程中锁的限制
    • 13.2 Sleep&Wakeup 接口
    • 13.3 Lost wakeup
    • 13.4 如何避免Lost wakeup
    • 13.5 Pipe中的sleep和wakeup
    • 13.6 exit系统调用
    • 13.7 wait系统调用
    • 13.8 kill系统调用
  • Lec14 File systems (Frans)
    • 14.1 Why Interesting
    • 14.2 File system实现概述
    • 14.3 How file system uses disk
    • 14.4 inode
    • 14.5 File system工作示例
    • 14.6 XV6创建inode代码展示
    • 14.7 Sleep Lock
  • Lec15 Crash recovery (Frans)
    • 15.1 File system crash概述
    • 15.2 File system crash示例
    • 15.3 File system logging
    • 15.4 log_write函数
    • 15.5 end_op函数
    • 15.6 File system recovering
    • 15.7 Log写磁盘流程
    • 15.8 File system challenges
  • Lec16 File system performance and fast crash recovery (Robert)
    • 16.1 Why logging
    • 16.2 XV6 File system logging回顾
    • 16.3 ext3 file system log format
    • 16.4 ext3如何提升性能
    • 16.5 ext3文件系统调用格式
    • 16.6 ext3 transaction commit步骤
    • 16.7 ext3 file system恢复过程
    • 16.8 为什么新transaction需要等前一个transaction中系统调用执行完成
    • 16.9 总结
  • Lec17 Virtual memory for applications (Frans)
    • 17.1 应用程序使用虚拟内存所需要的特性
    • 17.2 支持应用程序使用虚拟内存的系统调用
    • 17.3 虚拟内存系统如何支持用户应用程序
    • 17.4 构建大的缓存表
    • 17.5 Baker's Real-Time Copying Garbage Collector
    • 17.6 使用虚拟内存特性的GC
    • 17.7 使用虚拟内存特性的GC代码展示
  • Lec18 OS organization (Robert)
    • 18.1 Monolithic kernel
    • 18.2 Micro kernel
    • 18.3 Why micro kernel?
    • 18.4 L4 micro kernel
    • 18.5 Improving IPC by Kernel Design
    • 18.6 Run Linux on top of L4 micro kernel
    • 18.7 L4 Linux性能分析
  • Lec19 Virtual Machines (Robert)
    • 19.1 Why Virtual Machine?
    • 19.2 Trap-and-Emulate --- Trap
    • 19.3 Trap-and-Emulate --- Emulate
    • 19.4 Trap-and-Emulate --- Page Table
    • 19.5 Trap-and-Emulate --- Devices
    • 19.6 硬件对虚拟机的支持
    • 19.7 Dune: Safe User-level Access to Privileged CPU Features
  • Lec20 Kernels and HLL (Frans)
    • 20.1 C语言实现操作系统的优劣势
    • 20.2 高级编程语言实现操作系统的优劣势
    • 20.3 高级编程语言选择 --- Golang
    • 20.4 Biscuit
    • 20.5 Heap exhaustion
    • 20.6 Heap exhaustion solution
    • 20.7 Evaluation: HLL benefits
    • 20.8 Evaluation: HLL performance cost(1)
    • 20.9 Evaluation: HLL performance cost(2)
    • 20.10 Should one use HLL for a new kernel?
  • Lec21 Networking (Robert)
    • 21.1计算机网络概述
    • 21.2 二层网络 --- Ethernet
    • 21.3 二/三层地址转换 --- ARP
    • 21.4 三层网络 --- Internet
    • 21.5 四层网络 --- UDP
    • 21.6 网络协议栈(Network Stack)
    • 21.7 Ring Buffer
    • 21.8 Receive Livelock
    • 21.9 如何解决Livelock
  • Lec22 Meltdown (Robert)
    • 22.1 Meltdown发生的背景
    • 22.2 Speculative execution(1)
    • 22.3 Speculative execution(2)
    • 22.4 CPU caches
    • 22.5 Flush and Reload
    • 22.6 Meltdown Attack
    • 22.7 Meltdown Fix
  • Lec23 RCU (Robert)
    • 23.1 使用锁带来的问题
    • 23.2 读写锁 (Read-Write Lock)
    • 23.3 RCU实现(1) - 基本实现
    • 23.4 RCU实现(2) - Memory barrier
    • 23.5 RCU实现(3) - 读写规则
    • 23.6 RCU用例代码
    • 23.7 RCU总结
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  1. Lec10 Multiprocessors and locking (Frans)

10.1 为什么要使用锁?

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Last updated 4 years ago

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(00:00 - 01:33)是上一个lab的抽查问答,与内容无关故跳过。

今天的课程的内容是锁。这节课偏向于理论介绍,并且或许会与其他课程中有关锁的内容有些重合,不过这节课更关注在内核和操作系统中使用的锁。

首先,我们来看一下为什么我们需要锁?故事要从应用程序想要使用多个CPU核开始。使用多个CPU核可以带来性能的提升,如果一个应用程序运行在多个CPU核上,并且执行了系统调用,那么内核需要能够处理并行的系统调用。如果系统调用并行的运行在多个CPU核上,那么它们可能会并行的访问内核中共享的数据结构。到目前为止,你们也看到了XV6有很多共享的数据结构,例如proc、ticks和我们之后会看到的buffer cache等等。当并行的访问数据结构时,例如一个核在读取数据,另一个核在写入数据,我们需要使用锁来协调对于共享数据的更新,以确保数据的一致性。所以,我们需要锁来控制并确保共享的数据是正确的。

但是实际的情况有些令人失望,因为我们想要通过并行来获得高性能,我们想要并行的在不同的CPU核上执行系统调用,但是如果这些系统调用使用了共享的数据,我们又需要使用锁,而锁又会使得这些系统调用串行执行,所以最后锁反过来又限制了性能。

所以现在我们处于一个矛盾的处境,出于正确性,我们需要使用锁,但是考虑到性能,锁又是极不好的。这就是现实,我们接下来会看看如何改善这个处境。

以上是一个大概的介绍,但是回到最开始,为什么应用程序一定要使用多个CPU核来提升性能呢?这个实际上与过去几十年技术的发展有关,下面这张非常经典的图可以解释为什么。

这张图有点复杂,X轴是时间,Y轴是单位,Y轴具体意义取决于特定的曲线。这张图中的核心点是,大概从2000年开始:

  • CPU的时钟频率就没有再增加过了(绿线)。

  • 这样的结果是,CPU的单线程性能达到了一个极限并且也没有再增加过(蓝线)。

  • 但是另一方面,CPU中的晶体管数量在持续的增加 (深红色线)。

  • 所以现在不能通过使用单核来让代码运行的更快,要想运行的更快,唯一的选择就是使用多个CPU核。所以从2000年开始,处理器上核的数量开始在增加(黑线)。

所以现在如果一个应用程序想要提升性能,它不能只依赖单核,必须要依赖于多核。这也意味着,如果应用程序与内核交互的较为紧密,那么操作系统也需要高效的在多个CPU核上运行。这就是我们对内核并行的运行在多个CPU核上感兴趣的直接原因。你们可能之前已经看过上面这张图,但我们这里回顾一下背景知识也是极好的。

那为什么要使用锁呢?前面我们已经提到了,是为了确保正确性。当一份共享数据同时被读写时,如果没有锁的话,可能会出现race condition,进而导致程序出错。race condition是比较讨厌的,我们先来看看什么是race condition。我们接下来会在XV6中创建一个race condition,然后看看它的表象是什么。

kalloc.c文件中的kfree函数会将释放的page保存于freelist中。

freelist是XV6中的一个非常简单的数据结构,它会将所有的可用的内存page保存于一个列表中。这样当kalloc函数需要一个内存page时,它可以从freelist中获取。从函数中可以看出,这里有一个锁kmem.lock,在加锁的区间内,代码更新了freelist。现在我们将锁的acquire和release注释上,这样原来在上锁区间内的代码就不再受锁保护,并且不再是原子执行的。

之后运行make qemu重新编译XV6,

我们可以看到XV6已经运行起来,并且我们应该已经运行了一些对于kfree的调用,看起来一切运行都正常啊。

接下来运行一下usertest,究竟能不能成功呢?有人想猜一下吗?

学生回答:如果发生了race condition就会丢失一些内存page,如果没有发生就能成功。

是的,race condition不一定会发生,让我们来运行一下usertest,看看究竟会发生什么。我这里通过qemu模拟了3个CPU核,这3个核是并行运行的。但是如刚刚那位同学指出的,race condition不一定会发生,因为当每一个核在每一次调用kfree函数时,对于freelist的更新都还是原子操作,这与有锁是一样,这个时候没有问题。有问题的是,当两个处理器上的两个线程同时调用kfree,并且交错执行更新freelist的代码。

我们来看一下usertest运行的结果,可以看到已经有panic了。所以的确有一些race condition触发了panic。但是如前面的同学提到的,还有一些其他的race condition会导致丢失内存page,这种情况下,usertest运行并不会有问题。

所以race condition可以有不同的表现形式,并且它可能发生,也可能不发生。但是在这里的usertests中,很明显发生了什么。