XV6 操作系统实践

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简介

XV6 是 MIT 开发的一个教学用的完整的类 Unix 操作系统，并且在 MIT 的操作系统课程 6.828 中使用

1. 它源自 Dennis Ritchie 和 Ken Thompson 的 Unix Version 6 (v6)
2. 通过阅读并理解 XV6 的代码，可以清楚地了解操作系统中众多核心的概念 (1w)
3. 目前 MIT XV6 操作系统支持 x86 和 riscv 两种体系结构

主题

• 序言
  1. x86 体系结构 | 视频 01
  2. QEMU 模拟器 | 视频 02
  3. 编写最小操作系统 | 视频 03
• 走进操作系统
  1. 操作系统概览 | 视频 11
  2. 从汇编到 C 语言 | 视频 12 | 视频 12a
  3. xv6 启动流程分析 | 视频 13
• 内存管理
  1. x86 体系结构分页机制 | 视频 21
  2. 开启分页及 freelist 初始化 | 视频 22
  3. 内核页表初始化 | 视频 23 | 视频 23a
• 进程管理
  1. 进程创建 | 视频 31
  2. 调度器启动及切换用户态地址空间 | 视频 32
  3. 上下文切换及内核态执行 | 视频 33
  4. 从 initcode 到 shell 启动 | 视频 34 | 视频 34a | 视频 34b
• 中断管理
  1. 中断初始化及调用流程 | 视频 41
  2. exec系统调用流程分析 | 视频 42
  3. 中断及设备初始化 | 视频 43
  4. 多核处理器启动流程 | 视频 44
  5. 磁盘驱动 | 视频 45
• 锁与调度
  1. 同步与锁 | 视频 51
  2. sleeplock 与死锁 | 视频 52
  3. 调度、睡眠与唤醒 | 视频 53
  4. 进程生命周期 | 视频 54
  5. 管道 | 视频 55
• 文件系统
  1. 文件系统概览 | 视频 61
  2. Disk 和 Buffer | 视频 62
  3. Log 层 | 视频 63
  4. inode 层 | 视频 64
  5. directory 层和 pathname 层 | 视频 65
  6. 文件描述符层 | 视频 66
• 总结
  1. 总结 | 视频 90

总结

date

1. 开始录制时间 2023 年 10 月 23 日
2. 内存相关
   • 但是很多操作系统的实现更加精巧；例如，
   • xv6 不能向磁盘中请求页，
   • 没有实现 copy-on-write 的 fork 操作
     • fork -> exec
   • 共享内存和惰性分配页（lazily-allocated page）
     • malloc(..)
   • x86 支持段式内存转换，但 xv6 仅用它来实现 proc 这种有固定地址
     • segment
     • paging
   • 在内存较多的机器上使用 x86 的 4MB 大小的“超级页”, xv6 不支持
     • database join/select
3. 进程相关
   • 我们最好以锁为基础来构建高级的同步队列，虽然 xv6 并没有这么做
     • spinlock/sleeplock
     • queue, TaskPoolExecutor/ 信号量 semaphore
   • 让每个进程都有优先级。主要思想是优先处理高优先级的可运行进程。
     • proc.c 优先级 nicevalue
   • 但是由于要权衡多项指标，例如要保证公平性和高的吞吐量，调度算法往往很快变得复杂起来
   • 复杂的调度算法还会无意中导致像优先级倒转（priority inversion）和护航（convoy）这样的现象
   • Linux 内核的 sleep 用一个显式的进程队列代替 xv6 中的等待队列（wait channel）；而该队列本身内部还有锁
     • sleep/wakeup
   • 信号量是另一种合作机制
4. 驱动相关
   • 用户在读一个文件的时候，这个文件的数据将会被拷贝两次。
     • 第一次是由驱动从硬盘拷贝到内核内存，之后通过 read 系统调用，从内核内存拷贝到用户内存。
     • ide => bcache buf->data
     • dinode => inode
     • 零拷贝
   • 日志记录不是唯一的崩溃后的恢复机制
     • recover_from_log / redo log
     • 比如，UNIX 系统中的 fsck 命令来检查每个文件和目录以及各个块和 i 节点可用的链表，
     • 查找并解决出现的不一致问题
   • 如果磁盘操作失败，xv6 报警
     • 使用冗余来掩饰磁盘错误
     • RAID 冗余磁盘阵列

答疑

1. 12a 答疑一 12a-Q&A.org | 视频 12a
2. 34a 答疑二 34a-Q&A.org | 视频 34a
3. 34b 答疑三 34b-Q&A.org | 视频 34b

资源

1. MIT 课程官网 6.828
2. x86 版本 xv6-public
3. riscv 版本 xv6-riscv
4. gas 手册 gas
5. Unix 源代码 Unix Heritage Society