Sorry for the Delay of Labs!

虚假的飞升疾走

  • 好好上完课，发个 paper，然后就可以躺平了

真正的飞升疾走

  • 成为卷王之王

所有 deadline 都移至期末考试之后。

Hello, World 的故事

一个非常基础的问题

操作系统是 “执行程序” 的系统

  • 什么是程序？程序是如何执行的？
int main() {
  printf("Hello, OS World\n");
}

$ gcc hello.c
$ ./a.out
Hello, OS World

两门系统课程最重要的 Takeaway Message

程序 = 计算机系统 = 状态机。

“操作系统” 课给了你程序的 “最底层” 的状态机视角

  • 如何创造一个 “最小” 的可执行文件？
  • a.out 是什么？
  • a.out 执行的第一条指令在哪里？
  • printf 是如何被调用的？
  • a.out 执行了哪些系统调用？
  • a.out 执行了多少条指令？
    • perf stat -e instructions:u

操作系统：同时也是状态机的 “虚拟者”

操作系统 APIs

你看到的一切都会被分解成 “内存上的计算” 和 “系统调用”。

操作系统 = 一系列对象和它们的操作

  • 用户空间的一切都建立在 “系统调用” 之上
    • 状态机管理
      • fork, execve, exit
    • 地址空间管理
      • mmap, munmap
    • 文件和设备管理
      • open, close, read, write, mkdir, link, unlink, ...
    • 状态机通信
      • pipe, signal, kill, ...

从逻辑门到计算机系统

刷一下手机，你的计算机系统经历了非常复杂的过程

  • 应用程序 (app) → 库函数 (Android Framework) → 系统调用 → 操作系统中的对象 → 操作系统实现 (C 程序) → 设备驱动程序 → 硬件抽象层 (AbstractMachine) → 指令集 (x86-64/Arm64) → CPU, RAM, I/O设备 → 门电路 → 另一台计算机 → 分布式系统 → ...

操作系统课给这个稍显复杂的过程一个清晰的轮廓

  • 当你想弄清楚其中的某一部分的时候
    • RTFM! RTFSC!

走得更远

所以你到底学到了什么？

Operating systems (最重要的那个 piece): you're delighted

你不再惧怕任何 “system”

  • 嵌入式系统
  • 通用操作系统
  • 分布式系统
  • ……

也不再惧怕任何 “需求” 的实现

  • 找到合适的系统调用实现
  • 做不到？可以自己加个系统调用
  • 软件上实现不了？可以改 CPU 来支持！

Hacker's Delights: 新的“理解”

“计算机的本质是状态机”——fork 拷贝了一份状态机

  • “一份拷贝” 能有怎样的 power？
    • recovery, testing, ...

“死锁检测: lockdep 在每次 lock/unlock 的时候插入一条 printf”

  • 这就是 dynamic analysis 的本质
    • 如何减少 printf 的数量、怎么巧妙地记录、怎样分析日志……
    • 如何调控程序的执行？找到 bug 还是绕开 bug？

“文件系统是磁盘上的一个数据结构”

  • 通过 append-only 实现 journaling, copy-on-write, 分布式系统……

并发：走向分布式系统

如何为网络上的多台计算机提供统一的应用程序接口？

  • 把多个分布的、随时可能离线的计算机组成一个存储系统
  • 在存储的基础上完成计算

虚拟化：重新理解操作系统设计

Microkernel, Exokernel, Unikernel

  • 没有人规定，操作系统里一定要有 “文件”、“进程” 这些对象

持久化：重新理解持久存储设计

文件系统没能解决的需求

  • 大量的数据 (订单、用户、网络……) + 非简单目录遍历性质的查询

“数据库”：虚拟磁盘上的数据结构

  • 就像我们在内存 (random access memory) 上构建各种数据结构
    • binary heap, binary search tree, hash table, ...
  • 典型的数据库
    • 关系数据库 (二维表、关系代数)
    • key-value store (持久化的 std::map)
    • VCS (目录树的快照集合)

和操作系统相关的 Topics

  • Computer Architecture
    • 计算机硬件的设计、实现与评估
  • Computer Systems
    • 系统软件 (软件) 的设计、实现与评估
  • Network Systems
    • 网络与分布式系统的设计、实现与评估
  • Programming Languages
    • 状态机 (计算过程) 的描述方法、分析和运行时支持
  • Software Engineering
    • 程序/系统的构造、理解和经验
  • System/Software Security
    • 系统软件的安 (safety) 全 (integrity)

四周目总结

上操作系统课的乐趣

在课堂上时，你可以思考一些已经很清楚的基本东西。这些知识是很有趣、令人愉快的，重温一遍又何妨？另一方面，有没有更好的介绍方式？有什么相关的新问题？你能不能赋予这些旧知识新生命？……但如果你真的有什么新想法，能从新角度看事物，你会觉得很愉快。

学生问的问题，有时也能提供新的研究方向。他们经常提出一些我曾经思考过、但暂时放弃、却都是些意义很深远的问题，重新想想这些问题，看看能否有所突破，也很有意思。

学生未必理解我想回答的方向，或者是我想思考的层次；但他们问我这个问题，却往往提醒了我相关的问题。单单靠自己，是不容易获得这种启示的。 —— Richard Feynman

四周目的主要改进

课程主线

  • 完善了 “状态机” 视角下的程序和操作系统
  • 增加了很多代码课 (整改内容)
  • 好像终于把动态链接讲清楚了
    • 结果视频丢了一半
  • 减少了一些和基础不太相关的内容
    • 更像一门入门课了

自我批评与五周目

课程主线

  • 更明确地问题驱动
    • 先抛出具体的问题，部分改进，没有取得预期效果
  • 增加更多的代码 demos
  • 重写课程网站：课后 quiz
    • 整改项目，再次未能如愿

其他

  • 欢迎大家提建议/意见

毒鸡汤

国产操作系统之谜

国产操作系统：一直在 “换壳”，从未被超越

  • 换壳不等于没有技术含量
    • Deepin, 麒麟, MIUI, EMUI 都是有技术含量的
  • 套着 Android 的鸿蒙也没那么简单
    • 那些喷的人，你们有编译/修改过 AOSP 吗？

但很少见到真正落地的国产操作系统核心技术

  • 透明计算？
  • 生态背锅？
  • 盗版悲锅？

国产操作系统之谜 (cont'd)

但核心技术别人说造就造啊！

  • Google
    • Android, ChromeOS, Fuchsia, ...
  • Microsoft
    • Windows NT Microkernel; Windows Subsystem for Linux; Windows on ARM; ...
  • Apple
    • Rosetta-2

让读研究生的你去造，再多人也造不出个像样的东西啊

“黑客” 文化与技术基因

伟大的发明从天才和车库里诞生

  • Bill Gates 在 1975 年开发 Altair BASIC 时在 Harvard 的大型机上实现了全系统模拟器 (Intel 8080A)
  • 南京大学《计算机系统基础》课程 40 年后才追上

我们面临的困境

高考：为普通人提供了阶级跃升的途径

  • 公平性带来了无止境的强化训练和 (部分) 扭曲的价值观
  • 进入大学以后的 “去高考化” 反而没有做好
    • 又变成刷题内卷

华为/龙芯/...的挑战比大家想象得要多

  • 华为只有一个陈海波
    • 绝无仅有的能把控关键技术的人，已经作为领导事务缠身
  • 如果有 10,000 个陈海波？
    • 不要说华为了，中国的整个计算机产业都要腾飞了

我们面临的困境 (cont'd)

2023 年，大家毕业了。拿到两个 offer，怎么选？

  • 华为上海
    • 600,000 年薪，996 奋斗，经常熬夜加班
    • 做鸿蒙操作系统难题攻关
  • Google 上海
    • 300,000 年薪，955 躺平，经常上班摸鱼
    • 年薪减少一半，发量增加一倍
    • 大家挤破头皮去拿这个 offer (没点真本事还真没戏)
    • 然后打着嘴炮说鸿蒙是套壳操作系统，是文字游戏

繁荣、危机与机遇

繁荣：中国经济的腾飞

  • “最幸福的一代人”

危机：文明的冲突和世界秩序的重建

  • 美国人坐不住了
    • 5G/AI 的壁垒性优势不明确
  • 你还活在 “自己很强” 和 “我想躺平” 的幻觉里？
    • 连交个 Online Judge 都要面向 OJ 编程，如何和车库里的美国人对抗？

机遇：无法阻挡的互联网和开源

  • 开源社区没有国界：Linux, QEMU, ... 理论差距无限缩小
  • 先知先觉的人已经开始学习网课了

每个人心中都有一点英雄主义

我们需要真正的专家，去做一些看似疯狂的，fundamental 的东西，去推动这个世界的进步

  • 我们的征途是星辰和大海 —— 银河英雄传说


你们准备好用获得的 “力量” 去改变这个世界了吗？

所以，对自己要求高一点。


(没什么前途的老学长对你们的期待)