参考答案 | 对答案，是再次学习的一个机会

Jan 28, 2022
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参考答案 | 对答案，是再次学习的一个机会

2022-01-28 LMOS 来自北京
《操作系统实战45讲》
课程介绍
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讲述：宇新

时长01:00大小931.52K
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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。
第 44 节课Q：在我们启动容器后，一旦容器退出，容器可写层的所有内容都会被删除。那么，如果用户需要持久化容器里的部分数据该怎么办呢？
A：可以通过实现 volume（数据卷），在容器文件系统里创建挂载点，把宿主机文件目录挂载到容器挂载点，启动过程中读取数据卷。
第 45 节课Q：除了 ARM 指令集，如果想开发一款 CPU，我们还有更好的 RISC 指令集可选么？
A：RISC-V 是 2010 年加州大学柏克莱分校创建的开源指令集架构。由于这个指令集是完全开放，允许任何人用于任何目的而设计，还不需要付高昂的专利费，所以开源之后 IBM、高通、恩智浦、甲骨文、华为、阿里等知名公司也纷纷加入基金会，并且投入大量资源来进行研发与优化。由此可见，RISC-V 是一个非常有潜力的项目，我们也会在后续课程结束后，发起 Cosmos 配套的开源芯片研发项目，感兴趣的同学可以加入课程群一起多多交流。
第 45 节课Q：请问，ARMv8 有多少特权级？每个特权级有什么作用？
A：ARMv8，有 4 个特权级，E0～E3, E0 运行 APP，E1 运行 OS， E2 运行虚拟机监控软件，E3 运行安全监视软件。
到这里，思考题答案公布完毕，同学们学习加油呀！
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精选留言(3)

Zhang
2023-01-31 来自河南
感觉很有必要再刷一遍
ppd0705
2022-03-13
粗略的过了一遍+1，从去年7月底开始，还好没放弃 😭
作者回复: 哈哈
ifelse
2022-03-06
粗略的过了一遍
作者回复: 感觉怎么样
共 3 条评论
