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. Lec14 File systems (Frans)

14.6 XV6创建inode代码展示

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接下来我们通过查看XV6中的代码,更进一步的了解文件系统。因为我们前面已经分配了inode,我们先来看一下这是如何发生的。sysfile.c中包含了所有与文件系统相关的函数,分配inode发生在sys_open函数中,这个函数会负责创建文件。

在sys_open函数中,会调用create函数。

create函数中首先会解析路径名并找到最后一个目录,之后会查看文件是否存在,如果存在的话会返回错误。之后就会调用ialloc(inode allocate),这个函数会为文件x分配inode。ialloc函数位于fs.c文件中。

以上就是ialloc函数,与XV6中的大部分函数一样,它很简单,但是又不是很高效。它会遍历所有可能的inode编号,找到inode所在的block,再看位于block中的inode数据的type字段。如果这是一个空闲的inode,那么将其type字段设置为文件,这会将inode标记为已被分配。函数中的log_write就是我们之前看到在console中有关写block的输出。这里的log_write是我们看到的整个输出的第一个。

以上就是第一次写磁盘涉及到的函数调用。这里有个有趣的问题,如果有多个进程同时调用create函数会发生什么?对于一个多核的计算机,进程可能并行运行,两个进程可能同时会调用到ialloc函数,然后进而调用bread(block read)函数。所以必须要有一些机制确保这两个进程不会互相影响。

让我们看一下位于bio.c的buffer cache代码。首先看一下bread函数

bread函数首先会调用bget函数,bget会为我们从buffer cache中找到block的缓存。让我们看一下bget函数

这里的代码还有点复杂。我猜你们之前已经看过这里的代码,那么这里的代码在干嘛?

学生回答:这里遍历了linked-list,来看看现有的cache是否符合要找的block。

是的,我们这里看一下block 33的cache是否存在,如果存在的话,将block对象的引用计数(refcnt)加1,之后再释放bcache锁,因为现在我们已经完成了对于cache的检查并找到了block cache。之后,代码会尝试获取block cache的锁。

所以,如果有多个进程同时调用bget的话,其中一个可以获取bcache的锁并扫描buffer cache。此时,其他进程是没有办法修改buffer cache的(注,因为bacche的锁被占住了)。之后,进程会查找block number是否在cache中,如果在的话将block cache的引用计数加1,表明当前进程对block cache有引用,之后再释放bcache的锁。如果有第二个进程也想扫描buffer cache,那么这时它就可以获取bcache的锁。假设第二个进程也要获取block 33的cache,那么它也会对相应的block cache的引用计数加1。最后这两个进程都会尝试对block 33的block cache调用acquiresleep函数。

acquiresleep是另一种锁,我们称之为sleep lock,本质上来说它获取block 33 cache的锁。其中一个进程获取锁之后函数返回。在ialloc函数中会扫描block 33中是否有一个空闲的inode。而另一个进程会在acquiresleep中等待第一个进程释放锁。

学生提问:当一个block cache的refcnt不为0时,可以更新block cache吗?因为释放锁之后,可能会修改block cache。

Frans教授:这里我想说几点;首先XV6中对bcache做任何修改的话,都必须持有bcache的锁;其次对block 33的cache做任何修改你需要持有block 33的sleep lock。所以在任何时候,release(&bcache.lock)之后,b->refcnt都大于0。block的cache只会在refcnt为0的时候才会被驱逐,任何时候refcnt大于0都不会驱逐block cache。所以当b->refcnt大于0的时候,block cache本身不会被buffer cache修改。这里的第二个锁,也就是block cache的sleep lock,是用来保护block cache的内容的。它确保了任何时候只有一个进程可以读写block cache。

如果buffer cache中有两份block 33的cache将会出现问题。假设一个进程要更新inode19,另一个进程要更新inode20。如果它们都在处理block 33的cache,并且cache有两份,那么第一个进程可能持有一份cache并先将inode19写回到磁盘中,而另一个进程持有另一份cache会将inode20写回到磁盘中,并将inode19的更新覆盖掉。所以一个block只能在buffer cache中出现一次。你们在完成File system lab时,必须要维持buffer cache的这个属性。

学生提问:如果多个进程都在使用同一个block的cache,然后有一个进程在修改block,并通过强制向磁盘写数据修改了block的cache,那么其他进程会看到什么结果?

Frans教授:如果第一个进程结束了对block 33的读写操作,它会对block的cache调用brelse(block cache release)函数。

这个函数会对refcnt减1,并释放sleep lock。这意味着,如果有任何一个其他进程正在等待使用这个block cache,现在它就能获得这个block cache的sleep lock,并发现刚刚做的改动。

假设两个进程都需要分配一个新的inode,且新的inode都位于block 33。如果第一个进程分配到了inode18并完成了更新,那么它对于inode18的更新是可见的。另一个进程就只能分配到inode19,因为inode18已经被标记为已使用,任何之后的进程都可以看到第一个进程对它的更新。

这正是我们想看到的结果,如果一个进程创建了一个inode或者创建了一个文件,之后的进程执行读就应该看到那个文件。