操作系统实战45讲00057

你好，我是编辑宇新。

春节将至，先给你拜个早年：愿你2022年工期变长，需求变少，技术水平更加硬核。

距离我们专栏更新结束已经过去了不少时间，给坚持学习的你点个赞。学习操作系统是一个长期投资，需要持之以恒，才能见效。无论你是二刷、三刷的朋友，还是刚买课的新同学，都建议你充分利用留言区，给自己的学习加个增益buff。这种学习讨论的氛围，也会激励你持续学习。

今天这期加餐，我们整理了课程里的思考题答案，一次性发布出来，供你对照参考，查漏补缺。

建议你一定要先自己学习理解，动脑思考、动手训练，有余力还可以看看其他小伙伴的解题思路，之后再来对答案。

第1节课

Q：为了实现C语言中函数的调用和返回功能，CPU实现了函数调用和返回指令，即上图汇编代码中的“call”，“ret”指令，请你思考一下：call和ret指令在逻辑上执行的操作是怎样的呢？

A：一般函数调用的情况下call和ret指令在逻辑上执行的操作如下：

1.将call指令的下一条指令的地址压入栈中；
2.将call指令数据中的地址送入IP寄存器中（指令指针寄存器），该地址就是被调用函数的地址；
3.由于IP寄存器地址设置成为被调用函数的地址，CPU自然跳转到被调用函数处开始执行指令；
4.在被调用函数的最后都有一条ret指令，当CPU执行到ret指令时，就从栈中弹出一个数据到IP寄存器，而这个数据通常是先前执行call指令的下一条指令的地址，即实现了函数返回功能。

第2节课

Q：以上printf函数定义，其中有个形式参数很奇怪，请你思考下：为什么是“…”形式参数，这个形式参数有什么作用？

A：在C语言中经常使用printf(“%s :%d”,“number is :”,20);printf(“%x :%d”,0x10,20);printf(“%x,%x :%d”,0xba,0xff,20);可以看出，这些printf函数参数个数都不同，因为C语言的特性支持变参函数。而“…”表示支持0个和多个参数，C语言是通过调用者传递参数的，刚好支持这种变参函数。

第3节课

Q：其实我们的内核架构不是我们首创的，它是属于微内核、宏内核之外的第三种架构，请问这是什么架构？

A：我们的内核架构是混合内核架构，是介于微、宏架构之间的一种架构，这种架构保证了宏架构的高性能又兼顾了微架构的可移植、可扩展性。

第4节课

Q：Windows NT内核属于哪种架构类型？

A：Windows NT内核架构其实既不属于传统的宏内核架构，也不是新的微内核架构，说NT是微内核架构是错误的，NT这种内核架构其实是宏内核的变种——混合内核。

第5节课

Q：请问实模式下能寻址多大的内存空间？

A：由于实模式下访问内存的地址是这样产生的：16位段寄存器左移4位，加一个16位通用寄存器，最后形成了20位地址，所以只能访问1MB大的内存空间。

第6节课

Q：分页模式下，操作系统是如何对应用程序的地址空间进行隔离的？

A：操作系统会给每个应用程序都配置独立的一套页表数据。应用程序运行时，就让CR3寄存器指向该应用程序的页表数据。运行下一个应用程序时，则会执行同样的操作。

第7节课

Q：请你思考一下，如何写出让CPU跑得更快的代码？由于Cache比内存快几个数量级，所以这个问题也可以转换成：如何写出提高Cache命中率的代码？

A：第一，定义变量时，尽量让其地址与Cache行大小对齐。

int a __attribute__((aligned (64))); 
int b __attribute__((aligned (64)));

第二，操作数据时的顺序，尽量和数据在内存中布局顺序保持一致。

int arr[M][M];
for(int i = 0; i < M; i++) {
    for(int k = 0; k < M; k++) {
        arr[i][k] = 0;
    }
}
//而非这样
for(int i = 0; i < M; i++) {
    for(int k = 0; k < M; k++) {
        arr[k][i] = 0;
    }
}

第三，尽量少用全局变量。

第8节课

Q：请用代码展示一下自旋锁或者信号量，可能的使用形式是什么样的？

A：最常规的形式是在设计共享数据结构时，在其中包含自旋锁或者信号量。

如下所示：

typedef struct s_DATA
{   
    spinlock_t d_lock;
    sem_t d_sem;
    int a;
    int b;
    long state;
}data_t;
data_t da;
do_da_write(data_t* d)
{
    x86_spin_lock(&d->d_lock);
    d->a = 0;
    d->b = 1;
    d->state = 2;
    x86_spin_unlock(&d->d_lock);
}
do_da_sem_write(data_t* d)
{
    krlsem_down(&d->d_sem);
    d->a = 20;
    d->b = 10;
    d->state = 4;
    krlsem_up(&d->d_sem);
}
do_da_write(&da);
do_da_sem_write(&da);

第9节课

Q：请试着回答：上述Linux的读写锁，支持多少个进程并发读取共享数据？这样的读写锁有什么不足？

A：第一个问题，根据上述描述，读写锁本质上就是一个计数器。锁变量的初始值为0x01000000，即表示最多可以有0x01000000个进程同时获取读锁。

第二个问题，读写锁的不足是，如果一直有很多读取数据的进程占有读锁，因而可能导致修改数据的进程饥饿的情况。操作系统会加以控制，让修改数据的进程优先得锁。

第10节课

Q：请问，我们为什么要把虚拟硬盘格式化成ext4文件系统格式呢？

A：有两点原因。第一，GRUB在加载系统映像文件时，能够识别ext4文件系统格式；二，我们在Linux下生成系统映像文件时，要复制到虚拟硬盘中去，所以这个文件系统格式必须被Linux所识别，那么选ext4就最合适。

第11节课

Q：请问GRUB头中为什么需要_entry标号和_start标号的地址？

A：这是GRUB规定的。GRUB正是通过_entry标号和_start标号的地址，控制内核文件被加载到什么内存地址，又应该从什么内存地址开始运行。

第12节课

Q：请你想一下，init_bstartparm()函数中的init_mem820()函数，这个函数到底干了什么？

A：init_mem820()函数是把e820map_t结构数组复制到内核文件之后的内存空间，并且重新填写了机器信息结构。

它的代码如下：

void init_meme820(machbstart_t *mbsp)
{
    //源e820map_t结构数组地址
    e820map_t *semp = (e820map_t *)((u32_t)(mbsp->mb_e820padr));
    //e820map_t结构数组元素个数
    u64_t senr = mbsp->mb_e820nr;
     //获取下一段空闲内存空间的首地址，即e820map_t结构数组的新地址 
    e820map_t *demp = (e820map_t *)((u32_t)(mbsp->mb_nextwtpadr));
    //检查地址空间冲突
    if (1 > move_krlimg(mbsp, (u64_t)((u32_t)demp), (senr * (sizeof(e820map_t)))))
    {
        kerror("move_krlimg err");
    }
    //复制
    m2mcopy(semp, demp, (sint_t)(senr * (sizeof(e820map_t))));
    //并重新填写了对应的机器信息结构字段
    mbsp->mb_e820padr = (u64_t)((u32_t)(demp));
    mbsp->mb_e820sz = senr * (sizeof(e820map_t));
    mbsp->mb_nextwtpadr = P4K_ALIGN((u32_t)(demp) + (u32_t)(senr * (sizeof(e820map_t))));
    mbsp->mb_kalldendpadr = mbsp->mb_e820padr + mbsp->mb_e820sz;
    return;
}

第13节课

Q：请你画出Cosmos硬件抽象层的函数调用关系图。

A：Cosmos硬件抽象层的函数调用关系图如下。

第14节课

Q：为什么要用C代码mkpiggy程序生成piggy.S文件，并包含vmlinux.bin.gz文件呢？

A：因为mkpiggy程序在读取vmlinux.bin.gz文件，知道了其长度等信息，它就会把这些信息保存在piggy.S文件相关的字段中。在解压vmlinux.bin.gz文件时，解压的代码需要用到这些信息。

第15节课

Q：你能指出上文中Linux初始化流程里，主要函数都被链接到哪些对应的二进制文件中了？

A：它们的链接结构如下。

1._start、main函数链接在setup.elf文件中，而setup.elf文件生成了setup.bin。

2.startup_32、startup_64、extract_kernel链接在linux/arch/x86/boot/compressed目录下的vmlinux文件中，而这个文件生成了vmlinux.bin。

3.Linux内核的startup_64、x86_64_start_kernel、start_kernel、arch_call_rest_init、rest_init、kernel_init、try_to_run_init_process、run_init_process函数链接在顶层linux目录下的vmlinux中。这是一个elf格式的文件，由objcoopy去除符号信息后用压缩工具压缩，包含到piggy.S中，从而形成了piggy.o，最终和其它文件一起生成了vmlinux.bin。

第16节课

Q：我们为什么要以 2 的（0～52）次方为页面数来组织页面呢？

A：以2的（0～52）次方为页面数来组织页面，是为了每组连续的页面能对半分割。对半分割是为了保证连续的页面空间最大化，同时保证在下一次释放时，能最大可能地合并一个整体，这么做的目的只有一个：在满足最小、最大页面请求时，保证内存碎片的最小化。

第17节课

Q：请问在 4GB 的物理内存的情况下，msadsc_t 结构实例变量本身占用多大的内存空间？

A：4GB有1M个页面，那就对应1M个msadsc_t结构，每个msadsc_t结构为40个字节，所以占用40MB的内存空间。

第18节课

Q：在内存页面分配过程中，是怎样尽可能保证内存页面连续的呢？

A：因为分配内存页面一开始就是连续的，然后在分配时始终以2的幂次分隔，所以能保证内存页面的最大连续性。

第19节课

Q：为什么我们在分配内存对象大小时，要按照Cache行大小的倍数分配呢？

A：因为这使得我们分配的内存对象的地址空间是和Cache行对齐的，那么这个内存对象中的数据就极有可能被Cache命中，从而大大提升程序的性能。

第20节课

Q：请问内核虚拟地址空间为什么有一个 0xFFFF800000000000～0xFFFF800400000000 的线性映射区呢？

A：内核的线性映射区0xFFFF800000000000～0xFFFF800400000000，会映射到物理地址空间的0~～0x400000000。因为内核本身运行在虚拟地址空间，本身使用虚拟地址，但是它又必须访问物理内存，所以有了这个线性映射区，就可以把这个区域的物理地址转换成虚拟地址，也可以直接把虚拟地址转换成物理地址。

另外，因为它们之间就是一个常数：0xFFFF800000000000。所以，内核就可以很方便地操作自身数据结构和设备寄存器。这个设备寄存器是物理地址，内核很方便就能转换为虚拟地址，然后通过这个虚拟地址访问设备寄存器。

第21节课

Q：请问，x86 CPU 的缺页异常，是第几号异常？缺页的地址保存在哪个寄存器中？

A：x86 CPU的缺页异常，是14号异常。缺页的地址保存在x86 CPU的CR2寄存器中。

第22节课

Q：在默认配置下，Linux伙伴系统能分配多大的连续物理内存？

A：Linux伙伴系统能分配多大的连续物理内存，取决于MAX_ORDER。MAX_ORDER的值默认为11，因为是free_area数组的下标，所以要MAX_ORDER-1 = 10, 结果就是2 << 10 = 1024，而1024个连续的页面（一个页面4KB）是4MB，即Linux伙伴系统能分配多大的连续物理内存是4MB。

第23节课

Q：Linux的SLAB，使用kmalloc函数能分配多大的内存对象呢？

A：kmalloc函数能分配32MB的内存对象。

第24节课

Q：各个进程是如何共享同一份内核代码和数据的？

A：只需要将每个进程的上半部分虚拟地址空间（0xFFFF800000000000~0xFFFFFFFFFFFFFFFF）的MMU页表设为相同的映射关系就行了，这样每个进程都可以共享内核的代码的数据，但是又不能读取和修改这部分地址空间中的数据，因为权限不够。

第25节课

Q：请问当调度器函数调度到一个新建进程时，为何要进入 retnfrom_first_sched 函数呢？

A：因为新建的进程内核中只有CPU默认的寄存器状态，没有从内核其它任何位置调用进入krlschedul函数。因此没有调用krlschedul函数的调用路径，所以无从返回，只能通过retnfrom_first_sched函数，强制初始化CPU寄存器状态，从而让进程开始运行。

第26节课

Q：我们让进程进入等待状态后，进程会立马停止运行吗？

A：进程不会立马停止运行，因为在调用krlsched_wait函数后，进程的上下文并没有切换。需要在krlsched_wait函数的外层，通过调用krlschedul函数进行进程调度，才能让该进程停止运行，进入等待状态。

第27节课

Q：想一想，Linux 进程的优先级和 Linux 调度类的优先级是一回事儿吗？

A：不是一回事儿。一个调度类管理着同一类的多个进程，而进程的优先级是该调度类下的各个进程间的优先级。

第28节课

Q：请你写出一个用来访问设备的接口函数，或者想一下访问一个设备需要什么参数。

A：比如打开一个设备的接口函数，如下所示：

int open(devid_t *devid, uint_t flgs);

必须至少要有设备的devid参数。里面要包含设备的类型和设备号，这样才能找到一个具体的设备。

第29节课

Q：请你写出帮驱动程序开发者自动分配设备ID接口函数。

A：很明显，这需要驱动程序提供一个设备类型，然后到设备表中搜索该设备类型还没有占用的设备ID，最后返回这个设备ID。代码如下所示：

drvstus_t krlnew_devid(devid_t *devid)
{
    device_t *findevp;
    drvstus_t rets = DFCERRSTUS;
    cpuflg_t cpufg;
    list_h_t *lstp;
    devtable_t *dtbp = &osdevtable;//获取设备表
    uint_t devmty = devid->dev_mtype;
    uint_t devidnr = 0;
    if (devmty >= DEVICE_MAX)
    {
        return DFCERRSTUS;
    }

    krlspinlock_cli(&dtbp->devt_lock, &cpufg);
    if (devmty != dtbp->devt_devclsl[devmty].dtl_type)
    {
        rets = DFCERRSTUS;
        goto return_step;
    }
    //检查这个设备类型链表是不是为空
    if (list_is_empty(&dtbp->devt_devclsl[devmty].dtl_list) == TRUE)
    {
        rets = DFCOKSTUS;
        devid->dev_nr = 0;
        goto return_step;
    }
    //扫描该设备类型链表下的所有设备
    list_for_each(lstp, &dtbp->devt_devclsl[devmty].dtl_list)
    {
        findevp = list_entry(lstp, device_t, dev_intbllst);
        if (findevp->dev_id.dev_nr > devidnr)
        {
            //获取最大的设备号
            devidnr = findevp->dev_id.dev_nr;
        }
    }
    //新的设备号等于最大设备号加一
    devid->dev_nr = devidnr++;
    rets = DFCOKSTUS;
return_step:
    krlspinunlock_sti(&dtbp->devt_lock, &cpufg);
    return rets;
}

第30节课

Q：请你想一想，为什么没有 systick 设备这样周期性的产生中断，进程就有可能霸占 CPU 呢？

A：如果一个应用程序，它不调用任何系统接口，也不退出系统，就在主函数中执行一个死循环，这样这个进程一旦运行，内核将再也没有办法从应用手中夺回CPU，其代码如下：

void main()
{
    for(;;);
    return;
}

第31节课

Q：为什么无论是我们加载miscdrv.ko内核模块，还是运行App测试，都要在前面加上sudo呢？

A：Linux系统的安全是基于用户类型的，并且是多用户的系统，所以有些影响系统的操作，必须要root用户才能完成。比如你加载一个内核模块，这个内核模块是不是友好的？会不会干坏事？这需要管理员root用户评估；应用程序访问设备，同样是系统特权操作，也需要root用户，而sudo命令就是暂时让应用以root用户运行。

第32节课

Q：请问，我们文件系统的储存单位为什么要自定义一个逻辑储存块？

A：有两点考量：一是储存设备都按块为单位储存；二是为了文件系统代码的可移植性和可扩展性。因为储存设备的储存块大小各不相同，有512B、1KB、2KB、4KB，我们自己定义一个逻辑储存块，就能很好地适应不同的储存设备。

第33节课

Q：请问，建立文件系统的超级块、位图、根目录的三大函数的调用顺序可以随意调换吗，原因是什么？

A：不能随意调换，因为建立位图要依赖于超级块，而建立根目录时需要依赖于位图，所以必须是先调用建立超级块的函数，然后调用建立位图的函数，最后调用建立根目录的函数。

第34节课

Q：请你想一想，我们这个简单的、小的，却五脏俱全的文件系统有哪些限制？

A：我们这个文件系统有如下限制：

不能创建目录，所有文件都在根目录“/”下，即文件路径名都是这样的形式：“/file”、“/file1”、“/file2”等；
每个文件最多只能分配一个储存块（4KB大小）；
暂不支持文件随机读写，一旦发生读写操作，我们的文件系统会把一个文件的全部数据都返回给请求者，或者更新该文件的全部数据。

第35节课

Q：请说一说 super_block，dentry，inode 这三个数据结构，一定要在储存设备上对应存在吗？

A：不一定要在储存设备上对应存在，具体的文件系统可以有自己的实现，但是在运行时刻必须要能转换成内存中对应的super_block，dentry，inode这三大数据结构。转换方法由具体文件系统实现。

第36节课

Q：我们这节课从宏观的角度分析了网络数据的运转，但是在内核中网络数据包怎么运转的呢？请你简单描述这个过程。

A：内核网络数据包处理流程如下：

网卡驱动初始化
中断注册
重要结构体初始化
网络收发包

第37节课

Q：我们已经了解到了操作系统内核和网络协议栈的关系，可是网络协议栈真的一定只能放在内核态实现么？

A：我们发现传统的收发方式有一些弊端，比如：内核态用户态切换会引入Cache Miss、流水线失效、硬中断、锁、额外的拷贝等等额外开销。这些开销在C10K的并发规模可能无法体现出来，可是一旦到了C10M的规模，这些开销就不容小视了，于是DPDK这种用户态网络栈就应运而生了。

第38节课

Q：请思考一下，我们目前的互联网架构属于中心化架构还是去中心化架构呢？你觉得未来的发展趋势又是如何？

A：早期的传统互联网架构下，我们如果要配置交换机，一般都是直接用配置线连接交换机，然后命令行配置的，但出现什么问题可能就要跑到机房了。而且那个年代，中小型运营商也比较多，且分布式技术不够成熟。所以，诞生了如OSPF、BGP、ISIS之类的分布式、自组织的动态路由协议。

而随着分布式技术成熟，以及电信、互联网巨头逐渐聚集，我们现在逐渐演进到了以Google B4为代表的中心化架构的SDN上了，这也就是为什么万维网之父Tim Berners-Lee爵士会表示对今天的中心化Web 非常不满，却还是搞出了开源的去中心化平台 Solid项目的原因。

至于未来，个人认为随着以大数据、区块链为代表的去中心化架构逐渐成熟，也许互联网的基础架构会回归去中心化。当然为了实现这个目标，就需要我们大家一起努力了。

第39节课

Q：套接字也是一种进程间通信机制，它和其他通信机制有什么不同？

A：它可用于不同机器间的进程通信。

第40节课

Q：我们了解的 TCP 三次握手，发生在 socket 的哪几个函数中呢？

A：第一次握手：客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；

第二次握手：服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，就会调用accept函数接收请求，向客户端发送SYN K ，接着ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回。至此三次握手完毕，连接建立。

第41节课

Q：请问 int 指令后面的常数能不能大于255，为什么？

A：int 指令后面的常数不能大于255，因为int指令会经过中断门，后面的常数就是中断门的索引，而我们中断门最多256（0～255）个，所以不能大于255。

第42节课

Q：请说说syscall指令和int指令的区别是什么？

A：syscall指令不需要经过中断门，执行syscall指令后的进入内核的入口地址，是内核在初始化时写入到特殊寄存器。这个寄存器应用程序不能访问，处理器在硬件层还对syscall指令执行逻辑做了一定的优化，而int要经过中断门进入到内核，做权限检查又还要读取内存，这会导致性能下降。

第43节课

Q：有了KVM作为虚拟化的基石之后，如果让你从零开始，设计一款像各大云厂商IAAS平台一样的虚拟化平台，还需要考虑哪些问题呢？

A：如果只是在一台物理机上开启多个虚拟机，KVM确实已经做的很棒了，但是如果我们扩展到多个机架、多个机房，问题就变得更加复杂了。

我们除了要考虑之前讲过的网络问题，还需要考虑分布式环境下的计算、存储、消息传输、状态同步、动态迁移、扩缩容、镜像、身份认证、编排与调度、UI管理面板等很多问题。

当然，业界也有一些开源解决方案，比如大名鼎鼎的OpenStack，不过笔者觉得OpenStack由于设计实现得比较早，所以存在集群规模有限，部署、维护、二次开发复杂度高，历史包袱重等问题。和多位架构师沟通交流之后，我们正在尝试重新设计并实现一套更现代化的、轻量级的、IAAS云平台，感兴趣的同学可以加入课程群多多交流。课程交流群点这里，按加群提示操作后加入。

到这里，思考题答案公布完毕，同学们学习加油呀！

标签：架构,操作系统,int,45,内核,节课,设备,00057,函数
From： https://www.cnblogs.com/gongxianjin/p/17014503.html

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