操作系统：虚拟化、并发与持久性

熟悉操作系统基础，包括CPU、内存虚拟化、并发性和持久性。

深入理解进程虚拟化的核心机制、状态转换以及操作系统中的管理方式。

动手实践UNIX进程API：fork()、exec()、wait()以及实用的控制工具。

运用你的技能实现CPU虚拟化，管理并发，并高效地衡量操作系统性能。

CPU调度的步骤如下，涵盖先来先服务（FIFO）、最短作业优先（SJF）、最短剩余时间优先（STCF）、轮转法（RR）以及I/O集成： 1. 进程到达：当一个新进程进入系统时，它被放入就绪队列。 2. 调度决策点： - 进程从运行态变为等待态（如因I/O请求）。 - 进程从运行态变为终止态。 - 进程从就绪态变为运行态（例如在时间片用完或当前进程结束时）。 3. 选择调度算法： - FIFO（先来先服务）： - 按照进程到达的顺序进行调度。 - 一旦进程开始执行，就会持续运行直到完成或阻塞。 - 优点：简单易实现；缺点：平均等待时间较长，可能产生“护航效应”。 - SJF（最短作业优先）： - 选择预计运行时间最短的进程执行。 - 可以是非抢占式（进程一旦开始执行，必须运行到结束）或抢占式（即STCF）。 - 优点：最小化平均等待时间；缺点：难以准确预测运行时间，可能导致长进程饥饿。 - STCF（最短剩余时间优先）： - 是SJF的抢占式版本。 - 总是选择剩余运行时间最短的进程。 - 当新进程到达时，若其剩余时间比当前运行进程更短，则立即抢占。 - 优点：比SJF更优的平均等待时间；缺点：实现复杂，需频繁判断剩余时间。 - RR（轮转法）： - 每个进程分配一个固定的时间片（time slice）。 - 按顺序轮流执行每个进程，时间片用完后切换到下一个。 - 优点：公平性好，响应时间较短；缺点：时间片设置不当会影响性能（太短导致频繁上下文切换，太长则降低交互性）。 4. I/O集成处理： - 当进程发起I/O请求时，它从运行态转入等待态，并释放CPU。 - CPU调度器将选择另一个就绪进程运行。 - I/O完成后，进程返回就绪队列，等待再次被调度。 - 多级反馈队列（MLFQ）常用于结合I/O行为优化调度，通过动态调整优先级和时间片适应不同类型的进程。 5. 上下文切换： - 在进程切换时，操作系统保存当前进程的状态（寄存器、程序计数器等），加载下一个进程的状态。 - 上下文切换开销影响整体性能，应尽量减少不必要的切换。 6. 调度器类型： - 长期调度器（作业调度器）：决定哪些进程可以进入内存。 - 中期调度器：控制进程在内存与外存之间的交换（如换出到磁盘）。 - 短期调度器（进程调度器）：决定哪个就绪进程获得CPU使用权。 7. 评估指标： - 平均周转时间（Turnaround Time） - 平均等待时间（Waiting Time） - 平均响应时间（Response Time） - CPU利用率 - 吞吐量 通过合理选择调度算法并结合I/O行为进行优化，可提升系统整体效率与用户体验。

了解如何通过多级反馈队列调整调度以实现最佳性能。

基于彩票调度，探讨其概率公平性、实现方式，以及与确定性调度器和公平调度器的对比。

逐步分析多CPU调度技术，涵盖性能优化、缓存亲和性以及负载均衡。

探索操作系统的演进，重点关注内存管理和虚拟化技术。

掌握使用 UNIX/C 内存 API 高效管理与分配内存的步骤。

掌握地址转换、内存管理和硬件支持的基础知识。

规划高效内存管理的步骤，结合分段机制与地址转换技术： 1. 分配逻辑地址空间：为每个进程分配独立的逻辑地址空间，按功能或数据类型划分为多个段（如代码段、数据段、堆栈段等）。 2. 建立段表：为每个进程维护一个段表，记录各段的起始物理地址和长度，用于映射逻辑段到物理内存。 3. 地址划分：将逻辑地址分解为段号和段内偏移量，段号用于索引段表，偏移量用于定位段内具体位置。 4. 段表查找：根据段号在段表中查找对应的段描述符，获取该段的基地址和长度。 5. 边界检查：验证段内偏移量是否在允许范围内，防止越界访问，确保内存安全。 6. 物理地址生成：将段基地址与段内偏移量相加，得到最终的物理地址。 7. 内存访问：使用生成的物理地址访问实际内存单元。 8. 支持动态重定位：允许段在物理内存中移动，通过更新段表实现地址映射的动态调整。 9. 实现共享与保护：支持多个进程共享同一段（如共享库），并通过权限位控制访问权限（读/写/执行）。 10. 优化性能：采用快表（TLB）缓存常用段表项，减少地址转换开销，提升访问效率。 通过上述步骤，结合分段机制与地址转换，可实现灵活、安全且高效的内存管理。

研究空闲空间管理、分配策略、内存分配器以及实际模拟。

基于分页作为内存管理技术，解决内存碎片问题并探讨地址转换的挑战。

学习如何使用转换检测缓冲区（TLBs）实现高效的虚拟内存管理。

从高级页表开始，以提升内存管理效率并优化内存使用。

掌握使用虚拟内存和交换技术实现高效内存管理的步骤。

掌握虚拟内存管理策略的基础知识、优化方法以及性能权衡。

深入学习虚拟内存系统，重点研究 VAX/VMS 和 Linux 架构。

简化并发、线程、竞态条件、互斥和原子性的复杂概念。

掌握使用POSIX线程API创建和管理线程以及同步方法的步骤。

逐步学习锁和同步技术，以实现编程中的高效并发。

开始学习并发数据结构、锁管理以及性能优化技术。

拆分条件变量的实现及其同步挑战，以实现有效的同步。

探索信号量用于同步、事件排序以及解决经典的并发问题。

梳理理解与处理并发错误的步骤，重点聚焦于死锁及其预防。

关注基于事件的并发、事件循环、select() API、异步 I/O 和状态管理。

基于操作系统与I/O设备之间的高效交互，实现最佳性能。

学习如何使用硬盘驱动器（HDD）进行数据存储，包括操作、接口和调度。

深入理解RAID技术的核心，包括性能、可靠性以及最佳的RAID级别。

考察持久化存储管理、文件系统接口以及关键UNIX操作，以确保数据的可靠性和访问性。

了解通过数据结构和访问方法实现与管理文件系统的内容。

仔细研究通过快速文件系统优化文件系统性能。

通过 fsck、日志记录及其他技术确保文件系统崩溃一致性。

掌握通过日志结构化写入优化和垃圾回收来提升磁盘性能的步骤。

逐步了解固态硬盘（SSD）的技术基础、性能特点、可靠性以及高效闪存存储的优化技术。

通过使用校验和技术确保数据完整性，以有效处理错误、损坏和故障。

逐步学习分布式系统中的通信机制，重点关注可靠性、远程过程调用（RPC）以及故障处理。

掌握NFS的基础知识，重点关注无状态协议、缓存机制以及高效的崩溃恢复。

查看 Andrew 文件系统在可扩展性、缓存、一致性、性能以及仿真方面的特点。