Runguo Li

Runguo Li

M.S. student in Information Science @ UIUC, advised by Prof. Minjia Zhang. Working on ML systems for large-scale models: MoE inference and expert streaming, distributed training and rollout, GPU compiler correctness.

CS111 操作系统原理 · 开篇与课程概览

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数据来源：斯坦福大学 CS111（Spring 2026），讲师 Mendel Rosenblum。 本笔记基于课程公开网站（https://web.stanford.edu/class/cs111/ 及归档站点 cs111.1266）上的公告、课程大纲（Syllabus）、FAQ、考试信息页、全部 9 个作业页面，以及全部 28 讲公开讲义 PDF（Lecture1–Lecture28.pdf）整理编写。 推荐教材：《Operating Systems: Principles and Practice》（2nd Edition），Thomas Anderson & Michael Dahlin。 本文档为个人学习笔记，内容版权归斯坦福大学及其作者所有，仅用于个人学习目的。

课程概览（Course Overview）

1. 课程目标与范围

CS111 是斯坦福大学的操作系统入门课，目标是让学生理解现代操作系统提供的基本设施，并学会”充分利用操作系统与硬件”。课程按主题分为三大板块，最后以若干小主题收尾：

板块内容对应作业
并发（Concurrency）进程与线程、上下文切换、同步、调度、死锁Assign1–Assign4
内存管理（Memory Management）链接、动态存储分配、动态地址翻译、虚拟内存、请求调页Assign5–Assign6
文件系统（File Systems）存储设备、磁盘管理与调度、目录、保护、崩溃恢复Assign7–Assign8
补充主题闪存（Flash Memory）、虚拟机（Virtual Machines）—

课程的核心思想（Lecture 28 总结）：

  • 虚拟化（Virtualization）：把一样东西变成另一样东西，或变成许多个——CPU→线程、存储→文件、主存→地址空间。
  • 并发管理（Managing Concurrency）：同步是系统中最难的部分之一。
  • 原子性（Atomicity）：让一组操作看起来像一个不可分割的操作——同步、文件系统一致性都依赖它。
  • 局部性（Locality）：过去往往能预测未来——调度、TLB、分页、文件缓存都建立在这一假设上。
  • 分层（Layering）：用高层抽象隐藏底层复杂细节。

2. 课程结构

  • 授课：周一/周三/周五 11:30AM–12:20PM，Nvidia Auditorium（课程录像通过 Canvas 提供）。
  • Section（习题课）：每周 50 分钟，由 CA 带领 10–15 名学生做练习；需在课程网站报名。
  • 作业：9 个个人作业，在 myth 集群（ssh 远程 Linux 工作站）上完成，使用 gcc/g++、make、gdb、valgrind 等工具；作业通常周四 11:59PM 截止。
  • 评分：作业 35% + Section 参与 5% + 课堂参与 5% + 期中 20% + 期末 35%。
  • 考试：
    • 期中：5 月 7 日（周四）19:00–21:00，Cemex Auditorium，允许带 2 张双面笔记纸。
    • 期末：6 月 10 日（周三）8:30–11:30，Nvidia Auditorium，允许带 3 张双面笔记纸。
    • 均为闭卷纸笔考试，按座位就座（Academic Integrity Working Group 监考试点）。

3. 课程作业总览（全部有公开页面）

作业主题要点
Assign0Welcome to CS111!熟悉 myth 环境、gdb、sanitycheck/submit 工具；复习 C/C++、STL；读代码 + 写少量代码。无迟交。
Assign1Lambdas, Threads, and Processes用 λ 表达式创建匿名函数；创建线程（同进程内）与进程（fork）；实验原子操作对并发行为的影响。
Assign2Synchronization用 monitor 模式实现两个同步问题：Caltrain 乘客上车、派对宾客分组；识别竞态与死锁。
Assign3Thread Dispatcher在用户态用 C++ 实现线程机制：在单个系统线程上调度任意多个用户级线程（各自独立栈、定时器中断实现 round-robin）。
Assign4Locks & Condition Variables + Trust在 Assign3 基础上实现 Mutex 和 Condition（单核系统）；并回答关于信任的伦理问题。
Assign5Memory-Mapped Encrypted Files把加密文件映射进虚拟地址空间：请求调页——捕获 page fault、按需读页、记录脏页、关闭时回写；用 mprotect 模拟硬件特性。
Assign6Page Replacement with the Clock Algorithm扩展 Assign5，让映射文件可以大于物理内存：实现 Clock 页面置换算法。
Assign7Reading Unix V6 Filesystems用 C 语言实现 Unix V6（1975 年）文件系统读取器：块层 → inode 层 → 文件层。
Assign8Journaling File System用 FUSE 挂载 V6 文件系统：为元数据更新加预写日志（write-ahead log）、用位图替代链表管理空闲块、崩溃后重放日志恢复一致性。无迟交。