MIT Notes by Ron

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6.1810 操作系统工程 ​

fall 2025

前置课程 ​

无·

课程描述 ​

主要涵盖操作系统的设计和实现，以及系统编程。课程内容包括虚拟内存、文件系统、线程、上下文切换、内核、中断、系统调用、进程间通信，以及软件与硬件之间的协调与交互。课程使用多处理器操作系统 RISC-V 的 xv6 作为示例，用来说明这些主题。个别实验作业包括扩展 xv6 操作系统，例如支持复杂的虚拟内存特性和网络功能。

xv6是一个类似 Unix v6 的操作系统，而不是最新和最好的 Linux、Windows 或 BSD Unix 版本。xv6 大到足以展示操作系统设计和实现的基本思想，但比任何现代生产操作系统都要小得多，因此更容易理解。xv6 的结构类似于许多现代操作系统；一旦你探索了 xv6，你会发现类似的设计在诸如 Linux 内核等操作系统中也很常见。

参考资料 ​

UNIX

Linux内核文档

https://www.kernel.org/doc/html/latest/

RISC-V 模拟器

RISC-V

实验 ​

相关课程 ​

CS 161: Operating Systems (harvard.edu)

6.5810 高阶OS, Fall22

6.5810 高阶OS, Fall23

Lec 1 OS 总览 ​

总览 ​

  • 操作系统定义
  • 操作系统目标
  • OS内核一般提供什么服务？
  • OS设计及实现的挑战
  • 系统调用

lec1.md

Lec 2 用C语言编程Xv6 ​

总览 ​

  • C语言：一门”高级汇编“
  • 数据表示
  • 内存安全问题
  • 指针： 带类型的整数
  • 声明、定义 与 static
  • 字符串、常用库函数、结构体和位操作
  • GDB： 调试内核的手法
  • 内存抽象的层次：从总线到堆栈
  • 自测清单

lec2.md

Lec 3 操作系统设计 ​

阅读资料

  • xv6 教材的第二章

    • 会解释内核设计动机和实现方式

  • 阅读 xv6 内核的完整实现代码

    • kernel/proc.h

      kernel/defs.h

      kernel/entry.S

      kernel/main.c

      user/init.c

思考如下问题，

  • 如果某个进程调用exec()会发生什么？
  • 如果某个进程调用fork()会调用什么？
  • 如果某个进程对一个已有PID调用kill()，然后再调用fork()会发生什么？

lec3.md

Lec 4 操作系统的组织 & 微内核 ​

  • 传统的宏内核背后的设计哲学
  • 宏内核的缺点
  • 微内核介绍
  • L4微内核
  • 论文阅读：微内核的性能

lec4.md

Lec 5 虚拟内存/页表 ​

本讲定位：假设我们在扁平的物理空间，0 到 264​，应用程序和内核共享同一块内存，shell程序有一个 bug： 它有时会写入一个随机的内存地址。👉 如何防止它破坏内核？如何防止它破坏其他进程呢？

我们希望每个进程都有自己的地址空间，要求可以读写自己的内存，但不能访问其他进程和内核的内存。核心挑战是，如何把多个虚拟地址空间映射到同一块物理内存上，同时保证隔离性？

lec5.md

Lec 6 系统调用的出入口 ​

今天的目标是学习从用户空间到达内核空间，以及从内核空间返回回用户空间的整个过程。系统调用、异常、设备中断进入内核都是以相同的方式，里面涉及到很多细致的设计和重要的细节，对于隔离性（安全性）和性能都非常重要。

lec6.md

Lec 7 系统调用拦截 ​

在本节课中，我们将讨论“系统调用拦截（system call interposition）”，作为一种通用技术，用于限制有缺陷或恶意应用程序对系统其他部分造成的破坏。

请完成以下阅读：

  1. A Secure Environment for Untrusted Helper Applications，CH1~3
    • 用于理解系统调用拦截的动机和目标
  2. Traps and Pitfalls: Practical Problems in System Call Interposition Based Security Tools
    • 该论文总结了作者在构建此类系统时遇到的实际问题和挑战

lec7.md

Lec 8 页错误 ​

阅读xv6内核的实现，

  • kernel/sysproc.c:sbrk()
  • kernel/trap.c:usertrap()
  • kernel/vm.c:vmfault()

阅读xv6第5章的实现理解页错误

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Lec 9 磁盘分页 & 超级页 ​

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Lec 10 用户级虚拟内存 ​

阅读论文 Virtual Memory Primitives for User Programs, 1991

思考一下如何将xv6支持TRAP、PORT1 和 UNPORT？

用户应用程序的虚拟内存，按照阅读论文的论点，用户应用程序应该受益于或应该具有相同的能力，用户应用程序也可以使用虚拟内存。 真正的意思是，它们希望有与内核相同的机制，在用户模式访问用户应用程序，应用程序能够接受页面错误，然后可以响应这些页面错误，可以修改保护位，或修改页表中的特权级别。

总览 ​

  • 应用场景
  • 虚拟内存原语
  • 应用领域

lec10.md

Lec 11 设备驱动 & 中断 ​

阅读 xv6 内核的完整实现代码

  • kernel/console.c
  • kernel/uart.c
  • kernel/kernelvec.S

阅读 xv6 教材的第6章

lec11.md

Lec 12 锁 ​

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Lec 13 线程切换 & 调度 ​

lec13.md

Lec 14 协调 ​

阅读 xv6 内核的完整实现代码

  • kernel/proc.c
  • kernel/uart.c
  • kernel/pipe.c

阅读 xv6 教材的第9章

调度和锁可以帮助隐藏线程之间的互相影响，但我们还需要一些抽象机制让线程能够有意地进行交互。例如，在 xv6 中，管道（pipe）的读取者可能需要等待写进程产生数据；父进程调用 wait 时，可能需要等待子进程退出；一个读取磁盘的进程，需要等待磁盘硬件完成读取操作。

lec14.md

Lec 15 网络 ​

阅读材料

Eliminating Receive Livelock in an Interrupt-driven Kernel, 1996

本节的主题有：

  • 数据包格式与协议
  • 内核中软件栈
  • 过载行为——这节课的论文

lec15.md

Lec 16 高性能网络与调度 ​

lec16.md

Lec 17 文件系统 ​

本节学习文件系统，先理解为什么需要文件系统，在学习文件系统的原理，在物理上，逻辑上是如何进行组织的。

总览 ​

  • 文件系统的作用
  • inode
  • 磁盘上的布局

lec17.md

Lec 18 崩溃恢复 & 日志记录 ​

lec18.md

Lec 19 文件系统性能 & 快速崩溃恢复 ​

The benefits and costs of writing a POSIX kernel in a high-level language OSDI'18

lec19.md

Lec 20 多核可扩展性 & RCU ​

阅读资料：RCU Usage In the Linux Kernel: One Decade Later, 2013

如何在多核CPU计算机上获得好的性能，这是一个非常有趣，深入且令人着迷的话题。今天我们只会涉及这个话题的很小的一个部分，也就是在面对内核中需要频繁读但是不需要频繁写的共享数据时，如何获得更好的性能？ 在不同的场景下有不同的方法可以在多核CPU的机器上获得更好的性能，我们今天要看的是Linux的RCU，它对于需要频繁读的内核数据来说是一种非常成功的方法。

总览

  • 引言
  • 使用锁带来的问题
  • 读写锁局限性
  • RCU
    • RCU的实现
    • 代码示例
    • 性能分析
    • 使用场景

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Lec 21 容器与虚拟机 ​

总览 ​

  • 虚拟机
  • trap-and-emulate 虚拟化
  • 硬件虚拟化（Intel VT-x / VMX)
  • 论文阅读： Dune

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Lec 22 内核可扩展性 ​

In preparation for lecture, read the paper The BSD Packet Filter: A New Architecture for User-level Packet Capture.

You might find it interesting that BPF is widely used in Linux, for many use cases beyond network filtering. If you are curious, you can read about some of the ways in which the Linux kernel uses BPF in the article A thorough introduction to eBPF.

Since the BPF filter instructions come from an arbitrary application, the kernel cannot trust the instructions to be well-behaved. How does the kernel ensure that the filter does not access arbitrary memory, and how does the kernel ensure that the filter does not run forever, with the least performance overhead?

Submit your answer in an ASCII text file named homework.txt to the corresponding "Lecture N" assignment on Gradescope

阅读资料： The BSD packet Filter

本节的核心问题是，如何在内核中“安全地运行用户代码”来扩展内核能力。该问题出现的缘由是为了监控原始网络包。具体来说是，某个用户空间进程需要检查所有in-comming的网络包，而不是针对某个TCP连接或端口，但由于多个程序同时运行，每个程序关心的包不同，内核无法提前知道哪个包应该给哪个进程。

Lec bpf

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Lec 23 熔断 ​

阅读论文：Meltdown: Reading Kernel Memory from User Space

Lec Meltdown, FAQ

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