MM's Journal of Technology

本次课程深入探讨了UNIX系统调用和Shell的工作机制，强调了操作系统作为状态机的概念。通过分析INIT进程的创建及系统调用（如fork、exec等），详细讲解了进程在计算机中的创建与管理策略。此外，课程还引入了进程虚拟化的概念，讨论了其虚拟化特性，并通过实例演示如何利用管道进行进程间通信，还详细介绍了Shell的设计与实现，强调其作为编程语言的灵活性与高效性。最终，课程展示了如何构建一个基本的Shell应用程序。 INIT进程与系统调用 课程开始时，深入探讨了UNIX系统中的INIT进程。作为操作系统启动后创建的第一个进程，INIT负责加载其他程序。利用系统调用，INIT能够与操作系统互动，进行资源管理和进程控制。 系统调用: 系统调用是连接操作系统与应用程序的桥梁，提供了创建、重置和销毁进程的必要功能，使得进程能够管理其地址空间并操控计算机资源。 虚拟化的实现: 通过形象的例子，课程解释了虚拟化概念。每个进程在操作系统运行时，实际上是虚拟化处理的，这种机制确保了用户无法轻易察觉其他进程的存在。 操作系统对象与文件描述符 在部分课程中，讨论了操作系统内的对象，这些对象不 ...

CPU虚拟化的目标是通过时分共享（Time-Sharing）模拟多个CPU的环境，其核心在于进程的调度和执行，使得每个应用程序都运行在抽象的CPU上。 1.1 进程抽象 进程（Process）是正在运行的程序，操作系统通过进程控制块（Process Control Block, PCB）来管理进程的状态和资源使用信息。进程的关键属性包括： PID（Process Identifier）：唯一标识进程的数字。 状态（State）：进程的当前状态，如就绪、运行、阻塞等。 地址空间（Address Space）：进程可访问的内存范围。 硬件状态（Hardware State）：包括寄存器、程序计数器等CPU硬件信息。 进程的创建和销毁依赖于系统API（Application Programming Interface），例如： fork()：创建一个子进程，复制父进程的地址空间。 wait()：使父进程等待子进程结束并获取其退出状态。 exec()：用新程序替换当前进程的地址空间。 kill()：向进程发送信号。 1.2 进程执行模型 直接执行（Direct Execution） 进 ...

本节课主要讨论了进程的地址空间及其管理，特别是系统调用如fork、execve和exit如何用于创建、修改和销毁进程。此外，通过示例解释了进程状态机的概念及其在内存中的表示。还探讨了使用GDB调试工具查看和修改进程内存映射的方法，并如何利用这些技术实现类似金山游侠、按键精灵和变速齿轮的游戏外挂。最后，强调了技术的双刃剑特性，呼吁大家遵守学术诚信。 进程状态机及其管理 在本节课中，深入探讨了进程的状态机及其管理。讨论了如何通过系统调用创建、改变和销毁进程的状态，以实现程序的流畅运行和管理。 系统调用: 复习了包括fork、execve和exit等关键系统调用，它们构成了进程管理的基础。这些调用使得程序能够在内存中创建新进程，执行新程序或退出。 状态机的概念: 强调了程序运行中的不同状态，以及状态机管理是操作系统的核心功能，确保所有进程实现资源的有效共享。 GDB调试工具: 探讨了GDB如何帮助开发者查看程序状态。GDB允许用户检查寄存器和内存状态，帮助理解程序的运行情况。 内存地址的可读写性 在计算机系统中，内存地址的可读写性是一个重要概念，理解哪些地址可以访问，哪些不能 ...

在本次课程中，探讨了操作系统如何通过 fork、exec 和 exit 三个系统调用来管理进程。这些系统调用构成了操作系统管理进程的核心功能，操作系统通过这些机制实现对进程的创建、执行和退出的控制。此外，课程还深入探讨了操作系统作为状态机管理者的角色，并介绍了并发编程中状态机的重要性。 1. 系统调用：fork、exec 和 exit fork 系统调用 fork 是 UNIX 系统中唯一的进程创建方法，它会创建当前进程的一个副本。通过 fork，操作系统复制了进程的所有状态，包括内存和文件描述符，形成父子进程关系。fork 的返回值不同，可以在多 CPU 上并行执行。 副作用与风险 滥用 fork 可能导致系统资源耗尽，例如 fork bomb 会通过无限复制进程，导致系统陷入危险状态。这类似于原子弹的链式反应，因此在编程时需要谨慎使用 fork。 exec 系统调用 exec 系统调用用于在进程中执行一个新程序，是 UNIX 系统中唯一可以执行另一个程序的系统调用。exec 替换了当前进程的映像，加载并执行指定的可执行文件。 环境变量与路径搜索 通过 exec 执行新 ...

在本节课中，深入探讨了并发编程中的常见问题，包括死锁、数据竞争以及调试困难。并发编程中的错误往往难以发现，特别是死锁和数据竞争，这些问题不仅影响程序性能，还可能导致严重错误。为了解决这些问题，介绍了如何通过动态分析和运行时检查来提高程序的可靠性。 并发错误的复杂性与调试难度 并发编程经常伴随着难以发现的bug，如死锁和数据竞争。这些问题可能导致程序的不确定行为，影响系统的稳定性。 数据竞争发生在多个线程同时访问并试图修改同一共享数据时，导致结果不可预测。解决这一问题需要适当的同步机制，如锁或信号量。 死锁是另一个常见问题，当多个线程互相等待对方释放资源时，程序进入死锁状态，无法继续执行。理解并有效应对死锁至关重要。 复杂系统中的软件可靠性 在软件开发中，程序的正确性验证是一个巨大挑战。即使采用了数学方法，也难以完全避免规范危机和搜索空间诅咒。 规范危机：即使有明确的规范，程序实现与预期之间仍可能存在差距。 搜索空间诅咒：验证并发程序的正确性非常复杂，特别是在大规模系统中。 解决死锁问题的一种方法是避免循环等待，确保每个线程按照特定顺序获得锁，以减少死锁风险。 提升程序稳定 ...

在并发编程中，常见的错误包括死锁、数据竞争和原子性违反。这些问题是编写并发程序时必须应对的主要挑战。学生们在实验中需要实现高效的内存分配器，以支持多CPU的并行分配。由于并发编程的复杂性，新手程序员容易引入并发bug，如数据竞争导致的非确定性结果。原子性违反和顺序违反是两种主要的并发bug，前者涉及对共享状态的错误操作，后者则是事件执行顺序的错误。理解这些问题有助于提高并发程序的安全性和可靠性。 并发编程的挑战与实验目标 本次实验让同学们体验并发编程的挑战，特别是在实现内存分配器时。随着现代计算机核心数量的增加，如何有效管理并发访问和内存分配变得尤为重要。 并发编程对初学者而言是一个复杂的领域，尤其是在处理多个线程时。编写并发程序常常会导致意想不到的错误，而调试这些错误更是增加了编程的难度。 并发错误往往难以复现，这使得开发者在调试过程中面临巨大挑战。尤其是本地运行正常的代码，在在线环境中却无法通过测试，可能会引起极大的困惑。 课程中，老师将介绍常见的并发错误类型，并讨论如何借鉴开源社区的解决方案。通过实例分析，学生们将学习如何有效避免这些错误。 并发系统中的潜在安全隐患 视频探讨 ...

并发编程在现代计算中扮演着至关重要的角色，尤其是在浏览器技术、高性能计算以及人工智能领域的应用中。随着技术的发展，并发编程逐渐从复杂的底层实现转向了更加友好和易用的API和工具。尽管如此，并发编程依然是一个充满挑战的领域，开发者需要掌握诸如事件驱动模型、异步操作、并行计算以及分布式系统等关键技术来应对这些挑战。 并发编程的复杂性与工具简化 并发编程的复杂性不容小觑，尤其是在涉及多处理器编程和手动设置同步机制时，难度更大。底层API虽然强大，但往往过于复杂，不适合每一个开发者。 在并发编程的学习过程中，学生们常常感到困惑，因为其中涉及的概念如信号量和条件变量等都相对复杂。理解这些机制的基本原理是掌握并发编程的第一步。 例如，VS Code 作为现代编辑器的一个典范，虽然其背后是一个网页应用，但却成功展示了并发编程在提升开发效率中的重要作用。 回顾互联网的演变，从Web 1.0 到如今，技术的进步使得从早期依赖表格和VBScript的网页设计，转向了如今广泛使用的CSS和JavaScript等现代技术。 AJAX与动态网页的兴起 AJAX技术极大地改变了网页数据传输的方式，使得网页可 ...

在并发编程中，同步机制起着至关重要的作用，用于协调多个线程的执行顺序，确保程序的正确性和高效性。常见的同步机制包括互斥锁、条件变量和信号量。这些机制各有优缺点，在不同的场景下适用不同的同步需求。 互斥锁（Mutex） 互斥锁是一种用于确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源的同步机制。 通过 lock 和 unlock 操作，互斥锁能够建立线程间的 happens-before 关系，确保线程按照特定顺序执行。 然而，互斥锁的局限在于它无法处理复杂的同步条件，容易导致死锁等问题，尤其在处理多个线程或资源时需要谨慎使用。 条件变量（Condition Variable） 条件变量是一种强大的同步工具，允许线程在等待某个条件满足时释放互斥锁，进入等待状态。 条件变量可以无脑地实现任何同步条件，非常灵活，但在实际使用中需要小心处理互斥锁的正确释放与获取。 条件变量是最通用的同步机制，适用于大多数并发编程问题，但由于其复杂性，容易导致难以调试的错误。 信号量（Semaphore） 信号量是一种用于控制多个线程对共享资源访问的计数器，它可以优雅地实现某些同步问题。 信号量相较于条件变量 ...

在并发编程中，同步是一个超越了互斥的基本实现的重要概念。同步确保多个线程能够按特定的顺序执行，避免并发操作带来的冲突和不确定性。这不仅提高了程序的可靠性，还使得复杂的并发问题得以解决。通过乐队演奏和生产者-消费者模型的实例，可以更好地理解这一点。 核心内容 1. 同步的基础概念 同步是并发控制中比互斥更重要的机制。互斥可以保障临界区的安全性，但无法控制线程执行的顺序。同步则确保多个线程在执行时保持特定的顺序关系，以满足现实世界中常见的需求。 乐队演奏中的指挥作用：每个乐器需要在同一节拍下演奏，以确保音乐的协调和和谐。 预约会面：两个人约定在特定时间见面，虽然可以提前到达，但只有在约定的时间，才能开始共同的活动，这体现了同步的必要性。 2. 并发编程中的同步应用 同步的概念在并发编程中尤为重要，它确保多个线程在某一时刻达成一致状态。 生活中的例子，如等待朋友或游戏，展示了在特定时刻互相了解的状态，有助于理解同步的重要性。 在并发程序中，管理状态的迁移非常复杂。通过音乐演奏的例子，可以更好地理解如何在复杂环境中同步与协调，使每个线程能有效工作。 3. 线程同步机制与共享 ...

在本节课中，通过实例深入探讨了调试的理论与实践，详细阐述了故障（failure）、错误（error）和失效（fault）之间的关系。调试过程的关键在于理解代码的执行状态，及时发现并修复潜在的bug。强调了编写高质量代码的重要性，并建议通过断言和测试来提前识别错误，减少调试的难度。此外，使用调试工具如GDB和日志记录工具，可以帮助开发者更有效地追踪和解决问题。调试不仅仅是修复错误的过程，更是提升代码质量和可靠性的关键步骤。 1. 并发编程中的优化问题 在编写并发程序时，编译器的优化可能会导致意想不到的并发错误。为了避免此类问题，开发者需要理解编译器的行为，特别是在临界区的代码顺序上。 并发编程中的临界区管理至关重要。开发者必须小心处理锁的使用，以防止因编译器优化而引发的错误。 编译器的优化行为可能会导致代码在不同环境中表现不一致。开发者需要使用编译器屏障来防止重排序，从而确保代码的正确性和稳定性。 在实际的并发应用中，大部分时间程序都在执行非临界区的任务。理解这一点有助于优化程序性能，并降低并发错误的风险。 2. 隐藏的bug与硬件依赖性 操作系统中的隐藏bug可能在多年后因新硬件而 ...