包括进程地址空间管理、线程与进程通信、临界区与同步互斥问题及解决方案等，内容如下：
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进程地址空间管理
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多进程地址空间隔离
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段机制与分页机制：宫晓利指出，在使用段机制和分页的虚拟地址空间机制时，可通过硬件帮助实现多个进程地址空间的隔离。在现代化虚拟地址管理中，依靠页表劫持进程对内存的访问，避免两个进程的内存访问导入到同一物理内存上。此前，还使用硬件长度寄存器确保进程只能访问分配给它的地址空间。
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内核与用户空间连接的问题：操作系统设计者将内核部分和用户部分地址空间连接在一起，虽在进程上下文切换和系统调用时有省事之处，但会产生严重的安全漏洞，如 Spectre 和 MELTDOWN 漏洞。这种连接方式使内核空间的数据对用户具有吸引力，需要强有力的手段保护内核空间不被用户访问。
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内存权限标识与访问控制
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内存权限标识：硬件将内存空间分为用户态和特权态，通过页表项上的 privilege 位标识物理页的权限。CPU 上有寄存器标识当前所处的特权状态，如 X86 中的 ring 0 或 ring 3。
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MMU 访问控制：每一次访存操作都委托给 MMU，MMU 会检查指令的运行状态和页表项上的权限状态是否匹配。若用户态 CPU 想访问特权态页，MMU 会阻止；特权态 CPU 可访问用户态页，但在 RISC five 处理器中，有模式可限制特权态处理器对用户态页面的读取。
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线程与进程通信
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线程的概念与应用
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线程的产生：当两个进程需要高频次、大数据量的内存共享时，产生了线程的概念。线程在游戏开发中应用广泛，每个 NPC 和技能都可看作一个线程。
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线程上下文切换：宫晓利用测试程序说明，内核态线程上下文切换耗时，如在鲲鹏服务器上约需 1900 纳秒，主要包括权限管理和寄存器切换。而用户态上下文切换可减少权限管理部分的时间，如纤程、协程等，约需 900 纳秒。
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进程间通信机制
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共享内核空间通信：由于内核空间和用户空间连接以及所有进程内核空间重叠，进程间可通过共享的内核空间进行通信，如管道、消息队列和共享内存。
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共享内存的问题与挑战：共享内存会导致一个物理地址有多个虚拟地址，引发缓存命中问题。处理器设计需考虑使用虚拟地址还是物理地址做索引，最新的 CACHE 技术 VIPT 结合虚拟地址索引和物理地址 tag 解决此问题。此外，共享内存还需要巨大的 TLB 来完成地址翻译。
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临界区与同步互斥
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临界区问题与解决方案
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临界区的定义与问题：宫晓利以宿舍买面包为例，引出临界区的概念，即一段希望只有一个人执行的代码。为保证临界区只有一个进程执行，需要解决进入区、退出区和非临界区的代码逻辑问题。
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软件解决方案：通过分析 Peterson 算法和 Deker 算法，说明软件解决临界区问题的复杂性。Peterson 算法虽能解决问题，但代码晦涩，在现实操作系统设计中几乎无人使用。
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硬件解决方案：软件解决问题复杂时，可借助硬件。如使用 test and set 指令，该指令能在一条指令内完成检测和修改操作，避免调度中断。使用该指令可实现锁，确保临界区代码的正确性，但会导致盲等待问题，浪费 CPU 资源。在单核系统中，可采用阻塞和唤醒机制解决盲等待问题。
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同步与互斥问题
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同步与互斥的概念：同步是指进程之间有顺序要求，如挖坑、种树和填土的进程，需要保证坑挖好后才能种树，树种好后才能填土。互斥是指同一时刻只有一个进程能执行某段代码，如多个进程争抢同一个资源。
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信号量机制：迪杰斯特拉提出信号量的概念，包括 p 操作和 v 操作。p 操作将信号量减一，若结果小于 0 则进程进入休眠状态；v 操作将信号量加一，若结果小于等于 0 则唤醒等待队列中的进程。通过信号量机制可解决同步和互斥问题。
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管程机制：管程是一种更新的编程模型，本质与信号量相同，但使用接口更友好。管程通过 wait 和 signal 函数封装锁的释放和获取操作，避免程序员手动管理锁的顺序，提高程序的可靠性。
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经典 IPC 问题
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生产者 - 消费者问题
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问题描述与分析：生产者负责往仓库放东西，消费者负责从仓库取东西。同一时刻只能有一个生产者或消费者进入仓库，且生产者需等待消费者制造空位，消费者需等待生产者生产商品。
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解决方案与注意事项：使用三个信号量，一个用于互斥，两个用于同步。在实现过程中，需注意加互斥锁时尽量少引入代码逻辑，避免持有锁时休眠，否则会导致系统死锁。
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哲学家就餐问题
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问题描述与挑战：哲学家主要进行思考和吃饭，吃饭需要拿起两根筷子。若所有哲学家都拿起左手边的筷子，会导致所有人都无法拿到右手边的筷子，从而饿死。
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解决方案：可通过规定部分人先拿左边筷子，部分人先拿右边筷子，或设置允许拿筷子的人数信号量等方法解决问题。
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读者 - 写者问题
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问题描述与特点：读者往共享缓冲区读取数据，写者往缓冲区写入数据。同一时刻只能有一个人写，但可以有多个人读。写操作时不能读，读操作时不能写。
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解决方案与优化：可通过信号量机制实现读者和写者的互斥和同步。但简单的实现可能导致读者或写者饥饿问题，需要设计更合理的机制，如写者优先或读者写者公平得到权利的机制。
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沉睡的理发师问题
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问题描述与分析：理发师若没有顾客就会睡觉，有顾客到来时，若椅子未满，顾客会等待；若椅子满了，顾客会离开。第一个到来的顾客若发现理发师在睡觉，会唤醒他。
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解决方案：该问题包含互斥和同步问题，可使用信号量机制解决。互斥锁用于控制顾客争抢椅子，同步信号量用于控制理发师的睡眠和唤醒。
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锁、信号量与条件变量
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锁、信号量与条件变量的概念
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锁：锁是通过循环等待，直到可以运行的机制，可通过原子指令实现，如 test and set 指令。
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信号量：信号量是指若能得到条件执行就执行，否则进入休眠状态，可通过关中断和系统调用实现。
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条件变量：条件变量是管程中的关键变量，管程和条件变量组合是用面向对象技术封装的新的锁和信号量组合，可在有条件时拿到锁执行，无条件时释放锁并休眠。
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锁和信号量的效率比较：宫晓利认为，在绝大部分情况下，若指令在接下来的执行中马上可以拿到锁，高并发程序员偏爱于锁，因为锁不用发生系统调用，没有用户态到内核态的切换和进程上下文切换，效率更高。