操作系统可视化
操作系统让多个程序共享机器。本组课程展示四项工作：选择下一个运行的进程、把虚拟地址映射到物理内存、通过路径找到文件数据、协调线程对共享变量的访问。代码与动画逐步同步，可以看到短任务先运行、占用 CPU 的进程被降级、缺页触发磁盘读取，以及删除文件名后数据仍留在磁盘上。
进程使用处理器、地址空间和文件名，背后却是多人共享的资源。操作系统负责维持这些抽象与底层状态的一致性。
共享 CPU
可运行进程的数量可能超过处理器数量。调度器选择谁先运行，吞吐量、响应速度和公平性会要求不同的选择。
每项策略都要回答两个问题：
- 选谁？ 按到达顺序、任务长度、轮转顺序，或根据进程行为调整的优先级。
- 能否抢占？ 非抢占策略让进程运行到阻塞或结束；抢占策略可在运行中收回 CPU，提高响应速度，也增加上下文切换成本。
选择规则与抢占规则共同影响等待时间、饥饿风险和交互体验。
| 策略 | 选择依据 | 抢占 | 取舍 |
|---|---|---|---|
| FCFS | 到达顺序 | 否 | 实现简单，但长任务让后续任务等待，形成护航效应 |
| SJF | 最短 CPU 执行段 | 否 | 在任务已就绪且长度已知等条件下减少平均等待；长任务可能饥饿 |
| 时间片轮转 | 固定时间片，循环分配 | 是 | 提供轮转机会；时间片长度影响响应延迟与切换开销 |
| MLFQ | 动态优先级，占用 CPU 的任务降级 | 是 | 不预知任务长度，通过反馈近似短任务优先 |
FCFS 按先来后到服务，但不能避免长任务造成等待。SJF 需要任务长度，且可能让长任务长期等待。轮转强调响应，不区分任务长度。MLFQ 观察行为，再调整优先级，组合这些策略的思路。
共享内存
程序使用虚拟地址。访问内存时，硬件把地址拆成页号与页内偏移，查出对应物理帧，再保留原偏移组成物理地址。
本课用数量级模型展示三条路径：TLB 缓存命中约一个周期，访问内存中的页表约一百个周期，页不在内存、需要磁盘读取时约一百万个周期。数字用于对比成本，不代表所有硬件的固定时延。本课缺页路径会进入内核并读盘；实际系统也有无需磁盘读取的缺页。等待期间，内核可以调度其他进程，地址转换由此与 CPU 调度相连。
RAM 已满时，还要选择页面置换的受害页。FIFO 记录装入时刻；LRU 每次访问都更新最近使用时刻；Clock 维护引用位，用旋转指针清除和检查它。同样三个帧、十二次访问，策略差异可造成两次磁盘访问的差距。引用位提供了成本较低的近期访问线索。
| 策略 | 每帧记录 | 淘汰对象 | 局限 |
|---|---|---|---|
| FIFO | 装入时的访问序号 | 最早装入的页 | 忽略后续命中，可能淘汰热页；增加帧数也可能增加缺页，即 Bélády 异常 |
| LRU | 最近访问序号 | 最久未访问的页 | 循环访问的页数比帧数多一时，可能每次都缺页 |
| Clock | 一个引用位 | 扫描中遇到的引用位为 0 的页 | 所有位为 1 时会先清除一轮，本课对应状态的淘汰顺序呈 FIFO 特征 |
磁盘上的名字与数据
文件系统把名字和文件记录分开。本课中，inode 保存类型、大小、链接数和数据块编号；父目录的数据项把文件名映射到 inode 编号。
由此可以算出路径解析成本。在本课无缓存模型中，每经过一级目录要读目录 inode 和目录数据。打开 /home/user/notes.txt 要先读七次，才开始读取文件内容；文件大小不影响这七次路径查找。
rm 修改父目录并减少链接数。在本模型没有其他存活引用的情况下，链接数归零才释放数据块。硬链接仍存在时，文件数据仍可访问；即使块已释放，也不表示原字节被覆写。实际系统还需考虑打开的文件句柄等引用。
共享变量
同一进程中的线程共享内存。本课把 counter = counter + 1 拆成 load、add、store 三步。若两线程在中途切换，可能都读取同一个旧值，后一次写入覆盖前一次增量。计算和写入均已执行，却没有得到两次递增。
互斥锁让遵守同一锁协议的线程互斥访问临界区。它不禁止调度器抢占，而是让另一个线程等待锁，避免进入同一受保护操作。本课会丢失两次更新的调度，在加锁后保留全部更新。
锁也有风险：两个线程按相反顺序获取两把锁，各自持有一把再等待另一把，就会死锁。
建议学习顺序
先学进程调度。相同任务分别运行 FCFS、SJF 和时间片轮转。保持工作负载不变，比较 FCFS 的长任务阻塞、SJF 的饥饿风险和轮转的响应方式。
再学 MLFQ 调度。任务从高优先级开始，用尽 CPU 配额后降级。不必预先知道运行时长，也能根据行为近似短任务优先。
接着学虚拟内存。追踪地址拆分、TLB 查询、页表遍历、缺页和磁盘读取。结尾的成本条中，三次读盘占据大部分宽度，地址转换只占窄条。无效地址场景则在页表中找不到映射，展示本课的段错误路径。
然后学页面置换。虚拟内存课的 RAM 不会填满，本课从 RAM 已满开始。对同一引用序列运行 FIFO、LRU、Clock，比较缺页数。再试两个反例：FIFO 增加到四帧后缺页更多；LRU 用三帧循环访问四页，十二次访问全部缺页。
再学文件系统。查看位图、inode 表和数据块指针，理解由名字驱动的查找，以及删除名字时链接计数的作用。
线程与同步可在进程调度之后学习。默认运行预期计数 6，竞争后只剩 4；CPU 时间轴标出两次更新丢失的位置。随后加锁，对比结果，再用相反锁顺序制造死锁。
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