Stanford-CS140 Operating System Project 随记

约 9898 字大约 33 分钟

OS Project

2026-05-19

信息

本文为我在完成 ShanghaiTech CS130 project (Stanford CS140 project) 时的学习与思考。

关于 project

Stanford CS140 Project

简单来说，本 project 提供了一个基本的 PintOS 系统，你需要根据题目对本系统进行修改、优化等，并通过每个子 project 的测试点。

我将其提供的 PintOS 系统进行了 docker 打包，运行在一个 Ubuntu 系统中，以使协作更顺利：链接

project 1: Threads

doc

在这个项目中，提供了一个功能及其基础的线程系统，我们需要扩展它的功能。

Alarm Clock

问题：系统现有的 timer_sleep() 函数（在 devices/timer.c）下使用的是 busy waiting，即不断循环直至 sleep 结束。

那么我们为了解决这个问题，可以考虑在线程进入睡眠时添加到一个 waiting_list 队列中（这个队列按照 wakeup 顺序排序），并将此线程 thread_block() 掉，由 interrupt 在每个时钟周期检测列表头是否应该苏醒，并逐个 thread_unblock() 直至列表头不再需要唤醒。

思路很简单，剩下的就是代码细节的问题：

我们需要注意普通线程和 interrupt 线程的并发冲突问题，由于 waiting_list 需要在 timer_sleep() 函数（由普通线程调用）和 timer_interrupt() 函数（由 interrupt 线程调用）中同时被使用，我们需要在 timer_sleep() 操作该队列之前禁用 interrupt。
你会发现完成后始终有一个 alarm-priority 测试点 fail 掉，阅读测试点 c 代码可发现其需要优先级调度（本 project part2，我至今不理解为什么要把这个 part 排在 Priority Scheduling 前面），其对本 part 代码的影响就是在 interrupt 线程中只要唤醒了线程，就需要进行 intr_yield_on_return()（即将正在进行的线程扔回 ready_list，并按照优先级重新取出）

另外，你会发现在不对提供的 PintOS 做任何修改的情况下，仍可以通过 part1 的所有测试点...

Priority Scheduling

Standard：实现严格的优先级调度机制。
- 当一个具有更高优先级的线程加入到 ready_list 中时，正在运行的低优先级线程需要 thread_yield() 让出 CPU 资源。
- 当多个线程在等待锁（lock）、信号量（semaphore）或条件变量（condition variable）时，一旦资源释放，优先级最高的等待线程应当被优先唤醒。

这个 part 比上一个复杂了一些，主要在于提出了很多模糊的术语，我们需要理解 lock, semaphore 和 condition variable 都是什么。

总体来说，我们可以将这三个名词从底层到高层排序，分别是 semaphore -> lock -> condition variable。

下面我们简单介绍一下这三个东西。

semaphore

核心是计数器+阻塞队列。

struct semaphore {
    unsigned value;
    struct list waiters;
}

它可以管理有限数量的资源。

我们可以使用 sema_down(s) 和 sema_up(s) 函数对资源进行获取、释放，若获取时无对应资源则阻塞直到提供资源给该线程。

lock

本质上是一种 semaphore(1)。

例如我们分配一片共享内存，多个线程可以操作这片内存，就必须对此内存进行 lock 以避免 race condition。

condition variable

多个线程等待某个条件成立后被唤醒。

好了，现在对这三个名词有了基本理解后思考一种情况：如果某个 lock 被一个低优先级线程拥有，又有一个高优先级线程进入了 ready_list，且希望拥有这个 lock，受 semaphore 的限制，它需要等待低优先级线程运行完释放 lock 才能被唤醒，若此时有一堆不需要该锁的中优先级线程加入，则一直不会运行原本就应该先运行的高优先级线程，这是我们不想看到的。

于是引出了该 part 的第二个任务：

Priority Donation
- 线程拥有锁后，其优先级应为持有锁的优先级（定义锁的优先级为该锁等待队列线程和持有线程的优先级最大值）。
- 另外，我们不难发现会出现会出现递归现象，那么整条需求链路上的线程优先级都应该被调整。
- 当锁被释放后，原本持有该锁的线程优先级应被更新，其可能会被 thread_yield()。

代码实现起来并不算难，难点在于理解上述概念（不知道我的表述是否足够清晰了）。

Advanced Scheduler

实现一个类似于 4.4 BSD 操作系统的多级反馈队列调度器 (Multilevel Feedback Queue Scheduler, MLFQS)，以降低系统的平均响应时间。

什么是 BSD？

BSD 调度器的目标是在没有外部优先级信息的情况下，自动实现公平调度和良好的交互性响应。

关键在于：

动态优先级
不像简单的优先级调度器需要手动设置优先级，BSD 调度器会根据线程的行为自动调整优先级：
- CPU 密集型任务（计算多）→ 优先级降低
- I/O 密集型任务（交互多）→ 优先级提高
指标
- recent_cpu（最近 CPU 使用量）
- nice 值：用户可设置（-20~20），nice 值越高 = 越"友好" = 优先级越低
- load_avg （系统负载，影响 recent_cpu 衰减速度）

具体实现 doc

Project 2: User Program

doc

Project 2 需要能够让程序通过 System Call 与操作系统交互，让操作系统能够处理程序的错误。

完成 Project 2 的时候需要注意可能带来影响的 bug，因为未来 Project 3 和 Project 4 都将基于 Project 2 的代码实现。

Process Termination Messages

文档要求所有用户进程退出时都打印形如 name: exit(status) 的信息。这里的退出并不只包括显式调用 exit(status)，也包括用户程序触发非法访问、非法指令等异常后被内核杀死。

因此我们在线程结构中维护 exit_status：

正常调用 SYS_EXIT 时，由 sys_exit() 写入用户传入的 status；
用户指针非法、page fault 等异常退出时，统一通过 exit_process_with_error() 将状态设为 -1；
process_exit() 中如果当前线程确实运行过用户进程，就打印退出信息。

halt 是一个例外。它会直接关闭 PintOS，不应该额外打印某个进程的退出信息。

Argument Passing

用户程序最终会从 _start(int argc, char *argv[]) 开始执行，如果用户栈上没有正确放置 argc 和 argv，程序一启动就会因为访问错误栈内容而 page fault。

这里需要注意：传入 process_execute() 的 file_name 并不只是可执行文件名，而是完整命令行，例如 echo x y。因此我们需要先把命令行拆成两部分：

第一个 token 作为真正要加载的程序名，用于 thread_create() 和 load()；
全部 token 作为参数列表，用来构造用户栈。

我们在 process_execute() 中先复制一份命令行，然后用 strtok_r() 取出第一个 token 作为线程名。真正构造栈的工作放在 start_process() 中完成：它会再次将完整命令行拆成 argv，调用 load(argv[0], ...) 加载可执行文件，加载成功后再开始向用户栈写入参数。

栈的构造顺序需要符合 x86 的函数调用约定。由于栈向低地址增长，所以实现时大致是反着压入：

最终用户程序看到的栈就像普通 C 函数调用一样，main(argc, argv) 可以直接读取参数。这里一个很容易犯错的地方是：不能把完整命令行传给 load()，否则系统会尝试打开名为 echo x y 的文件，而不是打开 echo。

System Calls

PintOS 中，用户程序发起 system call 时，会把系统调用号和参数放在用户栈上。进入内核后，syscall_handler() 可以通过 f->esp 找到这些参数。

因此，一个 system call 的处理流程大致是：

从用户栈中读取 syscall number；
根据 syscall number 判断是哪一个系统调用；
从用户栈继续读取对应参数；
验证所有用户传入的指针是否合法；
调用内核中的实际处理函数；

用户指针验证

这部分文档中提及了两个方法，我们采用的是第二种方法：依赖页错误（page fault）机制进行检查。文档中提供的get_user和put_user函数，会尝试从用户地址读取或写入一个字节。如果访问失败，就返回错误，并让当前用户进程以 -1 退出。

我们基于get_user封装了两个函数

user_read (void *kaddr, const void *uaddr, size_t size)
从 uaddr 读入 size 长度的内容到 kaddr，成功读入则返回 true，反之返回 false。
user_string (char *kaddr, const void *uaddr, size_t max_size)
从 uaddr 读入最多 max_size 长度的字符串到 kaddr，成功读入则返回 true，反之返回 false。

借助这两个函数，大多数 syscall 在访问用户内存时，只需调用对应的辅助函数即可完成用户指针验证，而无需手动检查页表映射或地址合法性。

不过 SYS_READ 是一个特殊情况。由于该 syscall 需要向用户提供的 buffer 中写入数据，因此不仅要保证地址可读，还必须保证其可写。对此，我们使用 put_user 对 buffer 覆盖范围内的地址逐字节尝试写入 0。若写入过程中未发生异常，则说明该缓冲区可写，从而完成验证。

File Syscalls

这里比较重要的是文件描述符，也就是 fd。用户程序拿到的 fd 只是一个整数，而真正的文件对象是内核中的 struct file *。因此我们需要在每个进程中维护一个 fd table，用来把用户态的 fd 映射到内核态的文件对象。

另外，所有涉及文件系统的操作都需要注意同步问题。PintOS 提供的文件系统本身并不是完全线程安全的，如果多个进程同时读写文件，可能会出现 race condition。因此我们使用一个全局的 filesys_lock 来保护文件系统操作。

我们的实现中，struct thread 中维护了一个固定大小的 fd_table[128]：

fd = 0 表示标准输入，read(0, ...) 通过 input_getc() 从键盘读入；
fd = 1 表示标准输出，write(1, ...) 通过 putbuf() 写到控制台；
fd >= 2 才对应真正打开的文件，open() 会从 2 开始寻找空位。

这样做的好处是查找 fd 非常直接，用户传入的 fd 可以直接作为数组下标访问。不过它也带来了一个固定上限：每个进程最多维护 128 个 fd。对于本 project 来说这个限制足够使用。

文件相关 syscall 中还需要处理字符串指针。比如 create、remove、open 都会接收用户传入的文件名指针。我们不会直接把这个用户指针传入文件系统，而是先申请一页 kernel page，用 user_string() 把文件名复制到内核空间，再调用 filesys_create() / filesys_open() 等函数。这样即使用户传入了非法字符串，也只会终止当前用户进程，不会让文件系统拿到不可信地址。

进程退出时，还需要扫描自己的 fd table，将所有未关闭的文件逐个 file_close()。否则即使用户程序忘记调用 close()，内核也应该回收对应资源。

`process_wait` / `process_execute`

这两个函数在 process.c 中，syscall 会通过它们实现 exec 和 wait。

其中 exec 对应 process_execute()，作用是创建并启动一个新的用户进程；wait 对应 process_wait()，作用是让父进程等待某个子进程结束，并获得它的退出状态。

这部分的核心问题是：父进程和子进程之间需要共享一部分状态。

因为父进程调用 exec() 之后，只会得到一个子进程的 tid。但是仅有 tid 是不够的，后续还需要：

知道子进程是否成功加载
知道子进程是否已经退出
知道子进程的退出状态码
等待子进程退出 / 加载

所以我们需要额外维护一个 child_info 结构体，用来记录子进程的信息。我们创建了如下结构体

struct child_info {
  tid_t tid;						/* 子进程tid */
  int exit_status;			/* 子进程退出状态码 */
  bool exited;					/* 子进程是否已经退出 */
  bool loaded;					/* 子进程是否已经加载 */
  struct list_elem elem;
  struct semaphore wait_sema;
  struct semaphore load_sema;
  int count;						/* 父/子进程有几个还在，初始值为2，count=0才会free */
  struct lock lock;
};

然后我们就可以基于这些信息实现 exec 和 wait 的功能。

process_execute
process_execute() 对应 syscall 中的 exec。它的返回值不只表示子进程线程是否创建成功，还需要表示子进程是否成功加载了可执行文件。
因此，父进程调用 thread_create() 创建子进程后不能立即返回，而是需要通过 load_sema 等待子进程完成加载。子进程在 load() 结束后，会把加载结果记录到对应的 child_info 中，并通过 sema_up(&child->load_sema) 唤醒父进程。
父进程从 sema_down(&child->load_sema) 返回后，再检查 child_info->loaded。如果子进程加载成功，则返回子进程的 tid；如果加载失败，则返回 -1。
process_wait
process_wait() 对应 syscall 中的 wait。它需要让父进程等待指定子进程退出，并获得该子进程的退出状态。
父进程会先在自己的子进程列表中查找对应的 child_info。如果找不到，说明传入的 tid 不是当前进程的子进程，直接返回 -1。如果找到了对应子进程，并且子进程尚未退出，父进程就通过 wait_sema 阻塞等待。
子进程退出时，会把自己的退出状态写入 child_info->exit_status，并将 child_info->exited 设为 true，然后通过 sema_up(&child->wait_sema) 唤醒可能正在等待它的父进程。父进程被唤醒后，就可以读取子进程的 exit_status，并将其作为 wait 的返回值。

不过这里还需要考虑资源释放的问题。父进程和子进程的退出顺序是不确定的：可能父进程先退出，也可能子进程先退出。因此，child_info 不能简单地只由父进程或子进程单方面释放。

为了解决这个问题，我们使用 count 作为引用计数。父进程和子进程各自持有一份对 child_info 的引用。当其中一方不再需要这个结构体时，就调用 child_release() 将 count 减一。只有当父进程和子进程都不再需要它，也就是 count 变为 0 时，才真正释放这个 child_info 结构体。

Denying Writes to Executables

Project 2 还有一个容易忽略的要求：正在运行的可执行文件不能被写入。否则一个进程运行到一半，另一个进程把它的 executable 改掉，后续 Project 3 做 lazy loading 时会出现非常难判断的行为。

PintOS 已经提供了 file_deny_write() 和 file_allow_write()。关键在于：不能在 load() 结束后立刻关闭 executable 文件。因为一旦关闭，deny write 的效果也会随之消失。

因此我们的做法是在 load() 成功后：

将打开的 executable 文件保存在当前线程的 runing_file 中；
调用 file_deny_write() 禁止其他写入；
直到该进程退出时，再在 process_exit() 中关闭这个文件。

这样 executable 在整个进程生命周期内都会保持打开和写保护状态。

警告

如果你看到这里，说不定你已经写完了你的代码，建议你执行make clean && make check 5-10 次，防止可能出现的随机性 FAIL。

Project 3: Virtual Memory

doc

警告

Project 3 在 Project 2 的代码基础上实现，开工前尽量保证 Project 2 的正确性，否则在 Project 3 中改 Project 2 的 bug 会非常非常痛苦。

Project 3 需要在 Project 2 的基础上实现一系列和内存管理相关的功能。目前用户程序运行前都要加载所有需要的页面，也没有淘汰机制，能够同时运行的程序数量和程序大小都受到物理内存大小的限制。

Project 3 并没有初始的代码，所有新增的代码文件需要前往根目录下Makefile.build中注册。

Frame Table

警告

Project 3 需要处理很多地址，每次不验证addr != NULL都是对未来 debug 的自己不负责。

每次处理 Frame Table 时不加锁都是对未来 debug 的自己不负责。

每次发现NULL之后不 release 锁的更是对未来 debug 的自己不负责。

参考文档 4.2 一节，我们首先需要实现 Frame Table。

Frame Table 用来记录系统中已经分配出去的物理页。后续的swap、mmap 等功能都需要依赖它来查找和管理 frame，因此它是 Project 3 中虚拟内存系统的基础结构。

我们的实现中，Frame Table 使用 PintOS 提供的 list.h 维护。这一阶段的实现可以参考 palloc.c 的思路，对 frame 的获取和释放进行简单封装。需要注意的是，如果一次操作中需要获取多个 frame，而中途分配失败，就必须释放之前已经成功分配的 frame，避免产生内存泄漏。

此外，由于 Frame Table 是全局数据结构，可能被多个线程同时访问，因此对它的修改和遍历都需要使用 lock 保护，防止出现神奇又神秘的同步问题。

Hash Table

此处我们先介绍一下哈希表。

PintOS 在 lib/kernel/hash.h 和 lib/kernel/hash.c 中实现了一套通用的哈希表结构。它的作用和普通哈希表类似：通过一个 key 快速查找对应的元素，避免每次都在线性表中遍历查找。它只要求被存储的结构体中包含一个 struct hash_elem 字段。之后我们就可以通过这个 hash_elem，把自己的结构体挂到哈希表里。这和list.h是类似的。

使用哈希表时，需要提供两个函数：

hash：告诉哈希表如何根据某个字段计算哈希值；
less：当两个元素需要比较时，告诉哈希表如何判断大小或是否相同。

在实现 Supplemental Page Table 中，我们需要知道一些相关函数

hash_insert() 用来把一个新的元素插入哈希表中。对于 Supplemental Page Table 来说，当我们新建一个 SPT entry 后，就可以通过 hash_insert() 将它加入当前进程的 SPT 中。如果表中已经存在相同 upage 的元素，hash_insert() 会返回原有元素，因此也可以用它来判断是否出现了重复页面。
hash_find() 用来在哈希表中查找元素。它并不是直接传入 key，而是传入一个临时构造的结构体元素。比如我们想通过 upage 查找对应的 SPT entry，就可以先创建一个只填好 upage 的临时 entry，再用 hash_find() 查找哈希表中是否存在相同页面。

Supplemental Page Table

Supplemental Page Table 用来记录用户虚拟页面的额外信息，使内核能在 page_fault 时判断该页面是非法访问，还是需要从文件、swap 或栈增长中按需加载。

我们第二个需要实现的就是 Supplemental Page Table。这部分我们使用哈希表实现，参考hash.h/hash.c，并使用upage来索引。

在初始步骤中，Supplemental Page Table 结构体只需要记录upage和hash_elem即可。后续步骤中，按照需要给结构体新增项即可。

Supplemental Page Table 会贯穿整个 Project 3，无论是 Memory Mapped Files，还是 Swap，亦或是 Stack Growth、Eviction 的部分，都需要或多或少在 Supplemental Page Table 中添加点东西。

Lazy Loading / Memory Mapped Files

警告

Project 3 同样需要处理很多文件，每次不给文件操作加锁，都是对未来 debug 的自己不负责。

每次给文件操作 acquire 或 release 同一个锁两遍以上的，更是对未来 debug 的自己不负责。

我们首先需要解释一下 Project 3 中和文件相关的页面加载到底要做什么。

在 Project 2 中，process.c 里的 load_segment() 会在程序启动时直接把可执行文件中的 segment 加载到内存里。这样显然很简单，但是非常浪费空间

Project 3 要解决的一个重要问题就是 lazy loading。具体来说，load_segment() 不再立刻把文件内容读入 frame，而是先为这些用户虚拟页创建 Supplemental Page Table 来记录这个页面应该如何被加载。

这样，程序启动时并不会马上占用大量物理内存。只有当用户程序真正访问某个尚未加载的页面时，才会触发 page_fault。此时 page fault handler 会检查 Supplemental Page Table，如果发现这个地址对应的页面是合法的、只是还没有被加载，就分配一个 frame，然后根据 SPT (Supplemental Page Table) 中记录的信息从文件中读取内容，并将这个 frame 安装到当前进程的 page table 中。

我们还需要实现mmap和munmap两个 System Call。每一次mmap都要对应一个单独的id，我们可以使用结构体mmap_entry来保存相关信息。同时，mmap的文件和thread绑定，我们可以把相关信息储存在thread中。

当用户程序调用 mmap 时，和 lazy loading 一样，操作系统不会立刻把整个文件读入内存，而是把这个文件映射到从 addr 开始的一段用户虚拟地址空间上。文件可能占据一个或多个 page，因此我们需要为这些 page 分别创建 Supplemental Page Table。

每个被映射的页面都会记录它对应的文件、文件偏移量、需要读取的字节数以及需要补零的字节数。之后当用户程序访问这些地址时，如果对应页面还没有加载，就会触发 page_fault，再由内核把对应的文件内容加载进 frame。

然后是munmap，若文件被修改，则需要写回文件系统，这里我们需要使用pagedir_is_dirty (thread_current ()->pagedir, upage)来判断文件是否被修改过。

提示

此处可以进行一次 check，确保 Memory Mapped Files 相关测试点通过。

Stack Growth

Project 2 中 PintOS 只给 Stack 分配了一页的 page，这显然不够用。我们要移除这个限制。

首先我们看文档，

Allocate additional pages only if they "appear" to be stack accesses.

这里我们看到了一个非常神秘的词appear，Project 3 需要你给 Stack 额外的页面仅当“看起来像”栈指针，我们自然对这个出现在这很神秘的词语有疑问。不过既然文档说只要看起来像，那我们可以针对page_fault的地址作出判断，依据文档，我们可以给出如下判断条件

bool if_stack_pointer = fault_addr >= stack_pointer - 32
                        && fault_addr <= PHYS_BASE
                        && fault_addr >= PHYS_BASE - 8 * 1024 * 1024;

由于page_fault可能由 kernel 直接触发，也可能在 user 切换到 kernel 的时候触发，而在前者我们没有办法获取f->esp，所以我们需要在当前thread中记录其栈指针。记录的时机可以在前一次 Syscall 的时候，于是

void *stack_pointer = user ? f->esp : thread_current ()->esp;

当发生page_fault且我们发现这是一个stack_pointer的时候，我们就可以分配一页 stack page。

提示

此处可以进行一次 check，确保 Stack Growth 相关测试点通过。

BitMap

此处我们再简单介绍一下 Bitmap。

PintOS 在 lib/kernel/bitmap.h 和 lib/kernel/bitmap.c 中实现了一套位图结构。Bitmap 可以理解为一组连续的 bit，每一个 bit 只有两种状态：true 或 false。因此它非常适合用来记录某些资源是否已经被占用。

在 Swap Table 中，我们可以把每一个 swap slot 看作一个编号：

第 0 位表示第 0 个 swap slot 是否被占用；
第 1 位表示第 1 个 swap slot 是否被占用；
以此类推。

如果某一位是 false，说明对应的 slot 还没有被使用；如果是 true，说明这个 slot 已经被分配出去了。

在实现 Swap Table 时，我们需要知道一些相关函数：

bitmap_create() 用来创建一个指定大小的 bitmap。比如 swap 分区中一共有多少个 page-sized slot，就可以创建多少位的 bitmap。
bitmap_scan_and_flip() 用来查找一段连续的空闲 bit，并将其状态翻转。对于 swap 来说，我们通常只需要找一个空闲 slot，所以可以用它找到一个空闲位置，并立刻把这个位置标记为已经使用。
bitmap_reset() 用来把某一位重新设置为 false。当一个页面从 swap 中读回内存后，对应的 swap slot 就可以被释放，此时需要用 bitmap_reset() 把这个 slot 标记为空闲。
bitmap_test() 用来检查某一位当前的状态。它可以判断某个 slot 是否正在被使用。

Swap

警告

在调用 Swap 的时候不检查是否成功的都是对未来 debug 的自己不负责。

在 Project 3 中，用户程序看到的是虚拟地址空间，但真正能放在内存里的页面数量受物理内存大小限制。当 frame 不够用时，操作系统就需要选择一个暂时不用的页面，将它从物理内存中换出。如果这个页面之后还可能被访问，就不能直接丢弃，而是需要把它保存到 swap 分区中。

因此，我们需要实现 Swap Table 来管理 swap 分区中哪些位置已经被使用，哪些位置仍然空闲。通常可以使用 bitmap 来记录 swap slot 的使用情况。

这里需要注意，Swap 的一个 slot 并非一个 page，一个 page 对应 8 个 slot。还需要注意的是 Swap 的初始化时机。我们需要在init.c里面初始化 Swap，我们通过block_get_role (BLOCK_SWAP)获得BLOCK_SWAP，但是太早初始化无法获得BLOCK_SWAP，太晚初始化会让系统跑起来了之后还没初始化 Swap，都会出事。

Eviction & Reclamation

这里我们需要实现一套页面淘汰和页面恢复的机制。

在 Project 3 中，用户程序使用的是虚拟地址空间，但真正的物理内存大小是有限的。当没有空闲 frame 可以分配时，操作系统就不能简单地失败，而是需要从当前已经使用的 frame 中选择一个暂时不用的页面，将它从物理内存中淘汰出去，这个过程就是 eviction。

但是，被淘汰的页面不能随便直接丢弃。不同来源的页面需要用不同的方式处理，否则之后用户程序再次访问这个页面时，就无法恢复出正确内容。

因此，我们首先需要在 Supplemental Page Table 中记录页面的类型，例如：

enum spt_type {
  PAGE_MMAP,
  PAGE_EXEC,
  PAGE_STACK,
  PAGE_OTHER
};

这样在淘汰页面时，就可以根据页面类型决定它应该被如何保存。

对于通过 mmap 映射的文件页面，如果页面被修改过，也就是 dirty bit 被设置过，那么在淘汰时需要把页面内容写回原文件；如果页面没有被修改，则可以直接丢弃，因为之后还可以从原文件重新读入。

对于 exec 相关的页面，也就是从可执行文件中 lazy loading 得到的页面，如果页面没有被修改，同样可以直接丢弃，之后 page fault 时重新从可执行文件加载即可。但是如果这个页面被修改过，就不能再简单地从原文件恢复了，因为原文件中的内容已经不是当前页面的最新内容。这种情况下就需要把页面写入 swap。

对于 stack page，它没有对应的文件作为后备存储，因此一般不能直接丢弃。即使页面当前没有被标记为 dirty，为了保证程序之后仍然能看到正确的栈内容，比较稳妥的做法也是将其写入 swap。

所以整体来说，淘汰页面时可以按照下面的思路处理：

PAGE_MMAP：dirty 时写回文件，不 dirty 时可以直接丢弃；
PAGE_EXEC：不 dirty 时可以从原文件恢复，dirty 时需要 swap；
PAGE_STACK：通常需要 swap；
PAGE_OTHER：如果没有可靠的文件后备，也应该 swap。

完成页面内容的保存后，还需要清除原来的 page table 映射，并更新 SPT entry 的状态。比如被换出到 swap 的页面，需要在 SPT 中记录对应的 swap slot；被直接丢弃的文件页面，则需要保留 file、offset、read bytes、zero bytes 等信息，方便之后重新加载。

接下来是如何选择要淘汰的 frame。

不是所有 frame 都适合被淘汰。例如，正在进行 I/O 的 frame 不能被淘汰，否则可能出现读写到一半页面被换走的问题。因此可以在 Frame Table 的表项中加入一个 busy 字段，只有当 busy == false 时，这个 frame 才能作为 eviction 的候选对象。比如在 syscall 读写用户 buffer、mmap 写回文件、swap in / swap out 等过程中，都可以临时将相关 frame 标记为 busy，避免它在关键操作中被淘汰。

在选择具体 victim frame 时，可以实现一个简化版的 clock algorithm，也就是 second-chance algorithm。

我们维护一个类似时钟指针的变量，在 Frame Table 中循环移动。每次检查当前 frame 时：

如果该 frame 是 busy，则跳过；
如果该 frame 的 accessed bit 为 true，说明它最近被访问过，就把 accessed bit 清成 false，然后跳过；
如果该 frame 的 accessed bit 为 false，说明它最近没有被访问，就选择它作为 victim frame。

这里用到的 accessed bit 可以通过 pagedir_is_accessed() 检查，并通过 pagedir_set_accessed() 清除。这个算法的直觉是：最近访问过的页面先给一次机会，只有连续一段时间没被访问的页面才会被淘汰。

页面被淘汰后，之后用户程序如果再次访问这个虚拟地址，就会触发 page_fault。这时 page fault handler 会去 Supplemental Page Table 中查找对应 entry，并根据 entry 中记录的信息恢复页面：

如果页面是 file-backed 且没有被 swap，就重新从文件加载；
如果页面在 swap 中，就分配新的 frame，并从对应 swap slot 读回；
如果页面是合法的 stack growth，就创建新的 stack page；
如果 SPT 中找不到对应页面，才说明这是非法访问，需要结束进程。

这些就是 Project 3 的大概的思路。到这，你可以尝试跑20次make clean && make check，确保一切正常。

Project4: File System

doc

Buffer cache

目前，PintOS 访问文件系统时，总会直接从磁盘读写。

众所周知地，从磁盘访存是极慢的，我们迫切地需要一种缓存的机制提升读写效率，减少对磁盘的访问。

此部分，我们需要修改文件系统，使其保留文件块的缓存。当发起读取或写入某个块的请求时，先检查该块是否在缓存中；如果在，就直接使用缓存中的数据，而不访问磁盘。否则，就从磁盘把该块取入缓存，必要时驱逐一个较旧的缓存项。在此项目中，缓存大小不得超过 64 个扇区。

由于缓存大小有限，我们需要一个淘汰算法来决定当缓存满时将哪个缓存写入磁盘空出，其复杂度应类似于时钟算法。

可以想到，我们需要评估一个缓存是否还 “活着”，也就是说，它最近是否有被读写过？于是，类似于 Project3 的 Eviction 过程我们就是可以实现这个算法。

同时我们需要一个 write_behind 机制——内容保留在缓存中，必要时再写入磁盘。这是很好实现的，但重点是我们需要考虑到缓存机制实际降低了安全性，若文件系统崩溃，缓存的加入只会加重损失。

于是我们需要一个线程，周期性地将缓存中的内容写入磁盘，同时，不要忘记再文件系统关闭时也要将所有内容写入。可以想象，若周期过短，缓存效果将下降，若周期过长，安全性会下降，这是这个工程上必然遇到的困境。

为了加速读取，我们还可以设计一个 read_ahead 机制——当某个线程请求读取磁盘中某个块时，它有很大概率会继续读取下一个块，我们异步地将下一个块的内容提前写入缓存便可以加速读取。

提示

设计完这些，并通过 Project2 的测试点，本部分就收工啦！

Indexed and Extensible Files

PintOS 原本的 inode 只记录一个起始 sector，并假设文件的数据块在磁盘上连续存放。这个设计很简单，但问题也很明显：文件无法增长，且磁盘碎片化后就可能找不到一段足够长的连续空间。

我们需要把 inode 改成类似多级索引的结构。实现中，inode_disk 大致包含：

direct[123]：直接指向数据块；
indirect：指向一个一级间接块；
doubly_indirect：指向一个二级间接块；

每个 sector 是 512 bytes，而一个 block_sector_t 是 4 bytes，所以一个间接块可以存 128 个 sector 编号。因此这个 inode 最多可以寻址：

123 + 128 + 128 * 128 = 16635 sectors
16635 * 512 = 8517120 bytes

这已经超过 PintOS 默认 8MB 文件系统分区的大小。

同时我们需要处理文件增长逻辑，当写操作到文件末尾时，便需要扩展 inode。扩展时需要逐个分配新的数据块，并把新 sector 清零。

删除文件时也类似。原本 PintOS 只需要释放一段连续的 sector，现在需要沿着 direct、indirect、doubly indirect 把所有数据块和中间索引块都释放掉。因此可以实现一个内存回收函数进行统一回收。

警告

Project 4 的 inode 一定要保持刚好一个 sector 大小。每次往 inode_disk 里加字段，都应该重新确认 sizeof (struct inode_disk) == BLOCK_SECTOR_SIZE。

Subdirectories

Project 4 还需要支持子目录。原本 PintOS 只在根目录里找文件，因此 filesys_create()、filesys_open()、filesys_remove() 都直接从 root directory 开始。加入子目录之后，路径解析就变成了问题之一。

目录本质上也是一种文件，只是它的内容是一组 dir_entry。因此我们可以在 inode 里加一个 is_dir 字段，用来区分普通文件和目录。创建目录时，还需要自动加入两个特殊 entry：

. 指向自己；
.. 指向父目录。

这样一来，cd .、cd .. 等路径不需要特殊处理，正常走 dir_lookup() 就可以。

路径解析可以拆成两个 helper：

filesys_open_inode(path)：一路解析完整路径，返回最后一个 component 对应的 inode；
filesys_parent_dir(path, &dir, name)：解析到最后一个 component 的父目录，把最后的文件名或目录名放进 name。

绝对路径从 root directory 开始，相对路径从当前线程的 cwd 开始。因此每个 thread 需要保存一个 struct dir *cwd。创建子进程时用 dir_reopen(parent->cwd) 复制一份目录句柄，进程退出时再关闭它。

警告

当前目录如果已经被删除，后续相对路径应该失败。否则你会得到一个看起来还能访问、但已经不在目录树里的滚木神秘目录。

目录和普通文件还需要共用同一个 fd table。比较直接的做法是把 fd table 里的元素改成 fd_entry，其中同时保存 struct file *file 和 struct dir *dir，再用 is_dir 判断当前 fd 是文件还是目录。

有了这个结构之后，就可以实现 Project 4 新增的几个 syscall：

chdir：打开目标 inode，确认它是目录，然后替换当前线程的 cwd；
mkdir：找到父目录，分配 inode sector，创建目录并加入父目录；
readdir：从目录 fd 中读取下一个 entry，注意跳过 . 和 ..；
isdir：判断 fd 是否指向目录；
inumber：返回 fd 对应 inode 的 sector 编号。

还需要注意 open。Project 2 中 open 默认只会返回普通文件；Project 4 中，打开目录也应该得到一个 fd，只是之后 read、write 这类普通文件操作需要拒绝目录 fd。

删除目录时，需要明确规则：

不能删除 . 和 ..；
不能删除 root directory；
只能删除空目录，也就是除了 . 和 .. 以外没有其他 entry；
一个目录即使已经被打开，或者正被某个进程作为 cwd，也可以被删除。

最后一点听起来有点奇怪，但实现上是合理的：目录从父目录中消失后，新的路径查找找不到它；已经打开的目录句柄则依靠 inode 的引用计数继续活着，直到最后一个 opener 关闭它。如果某个进程的 cwd 被删了，它之后的相对路径解析会失败，但仍然可以 chdir 到某个绝对路径，比如 /。

Synchronization

笔记

说实话我并没有额外花费任何精力在这里，因为如果 “规范” 地实现代码，在完成上面三个部分时本就不该出现同步问题。当然如果出现了我们可以如下考虑。

比较朴素的方案：文件系统 syscall 继续由全局 filesys_lock 串行化。这样 create、remove、mkdir、文件增长等操作不会互相踩到一半完成的状态。

Buffer cache 内部则需要更细的锁。全局 cache lock 负责查找 cache entry 和选择 victim，每个 cache entry 自己也有一个 lock，保护它的数据复制和 dirty/accessed 状态。选择 victim 时可以用 lock_try_acquire() 跳过正在被读写的 entry，避免把别人正在使用的缓存块驱逐掉。

完结撒花

评价上，我认为没有人会否认 Operating System 是一门好课，与所处学校无关。因为它确实通过 PintOS 这个 “教学系统” 让我们理解了操作系统到底是怎么运行的（当然这个说法很广，三言两语也很难言明），Project 本身远比课程、授课方式等其他因素重要的多。

在一个人事先有编程基础的前提下，我认为也可以适当考虑在大一阶段就完成这门课程，一方面它对人底层理解的提升是显然的，另一方面它的 workload 的确没有特别大（个人认为），且在如今这个有 LLM 的时代，理解难度、英文水平、搜索能力的影响都被大幅度减弱了。

Anyway，不管怎么样吧，到此为止，ShanghaiTech CS130 AKA Stanford CS140 的 Project 就全部完成啦，为避免 check 及测试环节损失不必要的分数，强烈建议在此时对每个 Project 都进行多次 make check。

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