课程理念与指标定义
机制与策略结合
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理念提出：认为操作系统课程以往多侧重策略，而应先实现进程切换机制，如寄存器存储与读取，再研究合适策略。策略包括何时换进程及换谁上来，需定义测量指标。
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指标定义：提出吞吐与延迟指标，高吞吐指大量任务完成时间除以任务数，延迟指单个任务执行时间，高吞吐与低延迟在系统中是矛盾关系。
调度器介绍
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三种调度器：介绍 CFS 保障公平、PPLET 保障细粒度任务调度、EAS 保障系统能耗最优，提醒学生关注相关内容，避免考试失分。
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多处理器调度：指出多处理器调度需均衡各 CPU 任务分配，但该问题多年未得到妥善解决，鼓励有兴趣的学生研究。
内存管理基础
内存硬件原理
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原理讲解：考虑学生课程中缺乏内存硬件知识，宫晓利花十几分钟讲解内存工作原理，并分享优秀讲解视频。
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内存分区挑战：提出在多个内存分区运行程序时，需解决程序访存地址修改问题，人工修改易出错，可借助编译器和链接器自动解决。
重定位技术
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硬件支持：随着编程语言发展，编译器和链接器可确定程序地址排布。通过重定位技术，硬件在访存时自动将基地址与访问地址相加，实现地址转换，提高内存使用灵活性。
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内存分配简化：有了硬件支持，可在大内存空间切分区域让程序运行，只需设置正确基地址和长度，无需开发者参与和二进制修改。
内存管理数据结构与分配方法
数据结构选择
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位图与链表：介绍位图和链表两种内存管理数据结构。位图以块为单位记录内存分配情况，通过位表示分配状态，需考虑块大小和空间利用率；链表节点分占用和空闲两种，需处理节点分裂和合并问题。
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不同数据结构特点：位图空间利用率高，链表操作灵活，但都有各自的优缺点和适用场景。
内存分配方法
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三种分配方法：讨论最佳适配、最先适配、最差适配三种内存分配方法。最佳适配符合直觉但需排序且易产生碎片，最先适配运行时查找效率高但后期查找困难，最差适配产生的碎片可再利用概率大。
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实际应用：现代系统常将空闲内存块整理成堆，采用堆顶分配方式，体现不同分配方法在实际中的应用。
Buddy system 内存分配器
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原理与特点：Buddy system 以 2 的整数次幂分配内存，通过折半操作找到合适内存块，释放内存时可合并相邻区域。该方法可保障大片连续内存、便于地址计算和提高运行效率。
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数据结构关联：其结构类似数据结构中的二叉树，与红黑树、AVL 树相关，现代操作系统内核曾使用红黑树，新内核版本改用哈希表提高运行效率。
内存不足解决方案
内存紧凑与压缩
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紧凑方法：当内存有可用空间但不连续时，可通过移动程序实现内存紧凑，但该过程需调用 Memmove 或 Memcopy 函数，消耗时间和资源，且可能刷掉 cache 数据。
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压缩方法：可使用霍夫曼压缩等方法压缩内存，但使用时需解压缩，增加额外操作。
内存分区兑换（swap）
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原理与应用：当内存不足时，将进程数据和指令搬运到磁盘，释放内存空间加载新进程。需选择合适状态的进程进行兑换，如等待状态且未来一段时间不运行的进程。
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置换策略：介绍多种置换策略，如换出占用内存大的进程、根据用户充值情况或窗口活跃度等，不同系统采用不同策略。
虚拟内存技术
覆盖技术启发
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技术原理：覆盖技术通过分析程序代码，发现部分代码片段不会同时运行，可按需加载，如游戏中的过关动画。但该技术对程序员要求高，已被淘汰。
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技术价值：覆盖技术启发了虚拟内存技术，即不必一次性加载程序声称的所有资源，可按需加载。
虚拟内存实现
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地址转换机制：虚拟内存技术通过 MMU 截获程序内存访问指令，将其重定位到物理内存上。通过建立页与页框的对应关系表，实现地址转换。
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页表设计与管理：页表可采用数组、字典、哈希表等数据结构存储，需考虑未分配页框的表示方法。MMU 硬件自动完成地址转换，操作系统处理缺页异常。
缺页异常处理
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异常触发与响应：程序首次访存时，若页表中无对应页框，MMU 产生缺页异常，操作系统捕获异常后，根据 Maps 文件分配页框、填充数据，修改页表。
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异常返回与执行：缺页异常返回后，应用程序重新执行访存指令，此时页表已更新，访存成功，程序继续运行。
编译与内存布局
Maps 文件作用
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文件构建：Maps 文件记录应用程序开发时的内存布局，在编译的最后阶段生成，存储在磁盘上。
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异常处理依据：操作系统根据 Maps 文件处理缺页异常，确定应用程序所需数据的位置，如全局变量初始化为 0，局部变量可随机分配页框。
编译与加载过程
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编译阶段：编译器规划应用程序地址空间布局，通过链接器将程序数据和指令存到磁盘，形成可执行文件。
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加载阶段：双击应用程序图标，操作系统根据 Maps 文件将程序加载到内存，实现编译和运行时的内存布局一致。
页大小与多级页表
页大小选择
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硬件影响：硬件设计决定页大小多为 4K，软件若不采用 4K 页可能无法适配。
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系统设计考量：从系统设计角度，页大小与地址线数量、页表项数量等因素相关，多级页表可节省内存，32 位和 64 位系统页大小受多种因素制约。
多级页表机制
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结构原理：多级页表通过先查页表的页表，再查具体页表，减少不必要的内存分配，提高内存使用效率。
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参数调整：多级页表结构类似 B + 树，需调整表中参数，确保各节点与页大小匹配，便于内存管理。
后续工作计划
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课程学习：学生需阅读指定的 3 种调度器相关资料，掌握其原理和应用。
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实验推进：9 月 30 号下午正常上课，晚上学生自行在实验室或宿舍推进实验内容，宫晓利会提前发布直播会议链接。
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作业完成：学生需实现 Buddy system 内存分配器，深入理解其工作原理和实现细节。