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.

Lecture 1: Welcome to CS111! / 操作系统导论

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Lecture 1: Welcome to CS111! / 操作系统导论

概述

本讲回答”什么是操作系统”，并采用历史视角：操作系统是为了解决真实问题而演化出来的。通过回顾 1940 年代至今的硬件与软件变迁，理解内核（kernel）为何存在、它管理哪些资源，以及为什么操作系统是计算机科学中最有趣、最综合的领域之一。

核心概念与系统机制图解

操作系统（Operating System）

  • 定义：管理共享资源（CPU、内存、I/O 设备、文件、网络）并保护参与者互不干扰的软件集合；实现这些功能的内核代码运行在特权模式下，占据内存中的保留区域，对整个系统有完全控制权。
  • 直观解释：操作系统是”资源大管家”——它决定谁在什么时候能用 CPU、能用哪块内存、能读写哪个文件，同时保证一个坏应用不能拖垮整个机器。
  • 为什么值得学：操作系统是”魔法”，学完后你能理解计算机真正的工作方式；它整合了并发、虚拟内存等有趣概念，并引出哲学问题（如”公平比整体满意度更重要吗？”）。

操作系统演化简史（三阶段）

1940s–1960s: 硬件贵、人便宜 → 目标:最大化机器利用率
  ├─ 简单批处理监控器(batch monitor): 读入一叠卡片作业, 顺序执行
  ├─ 1960s: 数据通道与中断 → I/O 与计算重叠
  └─ 1962 IBM 7094: 内存重定位 + 内存保护 → 多任务(multitasking)与内核(kernel)出现
1960s–1980s: 硬件便宜、人贵 → 目标:最大化人的效率
  ├─ 分时系统(timesharing): 交互式使用, 文件系统, 响应时间与抖动问题
  └─ 个人电脑: 一人一机
1990s–今天: 网络与无处不在的计算
  ├─ 1993 WWW → 网络: 机器间共享与通信
  ├─ 手机、电视、智能设备
  └─ 现代系统: 极小(设备)到极大(数据中心/云)
  • 批处理监控器的问题（推动演化的动力）：
    1. 一次只能跑一个作业——作业等待 I/O 时 CPU 闲置，利用率差；
    2. 没有保护——坏作业能破坏监控器本身；
    3. 短作业被长作业堵住——理想情况应能重排作业。

现代操作系统做什么（Lecture 1 清单）

  • CPU：并发——让多个任务共享处理器；
  • 内存：在进程间共享内存；
  • I/O 设备：高效管理设备操作；
  • 文件：跨用户共享存储；
  • 网络：让多台计算机协作；
  • 安全：保护参与者互不干扰。

计算机系统分层结构

+--------------------------------------+
|    Application   Application   App   |
+--------------------------------------+
|   Operating System Kernel            |
|   (进程管理 / 内存管理 / 文件管理)      |
+--------------------------------------+
|   Hardware: CPU, DRAM, Disks         |
+--------------------------------------+

代码示例与系统调用解说

操作系统课的代码从 hello world 开始——但本讲的”代码”其实是课程地图。以 Assign0 的典型流程为例：

# 登录 myth 集群
ssh myth.stanford.edu
# 克隆作业起始代码
git clone /afs/ir/class/cs111/repos/assign0/$USER assign0
# 构建
make
# 运行测试
./sanitycheck
# 调试
gdb ./myprogram
# 提交
./submit

【代码做了什么？】 建立从”源码 → 编译 → 测试 → 调试 → 提交”的完整作业流水线；make 调用 gcc/g++，gdb 提供断点/单步调试，valgrind 检测内存错误。

【系统机制透视】 这条流水线本身就是操作系统的缩影：ssh 创建一个远程进程并通过网络与它通信；git clone 走文件系统与网络协议栈；make 依赖进程创建（fork/exec）与文件系统；gdb 用 ptrace 系统调用观察和控制另一个进程——你在第一周就已经在使用进程、文件、网络和虚拟内存四大抽象了。

关键要点

  1. 操作系统是历史演化的产物：先解决机器利用率（批处理），再解决人的效率（分时），再解决连接（网络）。
  2. 内核 = 运行在特权模式、管理全部硬件资源的代码；用户应用代码受到限制。
  3. 现代 OS 的核心职责可归纳为：CPU 并发、内存共享、I/O 管理、文件共享、网络安全。
  4. 课程三大板块：并发（4 个作业）、内存管理（2 个作业）、文件系统（2 个作业）。
  5. 虚拟化（一个物理资源伪装成多个逻辑资源）是本课程贯穿始终的主题。

常见陷阱与注意事项

  • 把”操作系统”与”内核”混为一谈：内核是 OS 的核心部分；广义的 OS 还包括 shell、系统工具、库等。
  • 以为 OS 只是”调度器”：现代 OS 同时是资源管理器、保护者、抽象提供者。
  • 忽视历史：不理解批处理/分时的痛点，就很难理解为何需要虚拟内存和并发抽象。

思考题

  1. 问题：为什么说”内存保护 + 重定位”是内核出现的先决条件？
    • 答案：没有保护，一个作业就能破坏其他作业或监控器代码，无法安全地让多个作业同时驻留内存；没有重定位，多个程序无法加载到各自的内存区域。二者齐备后，多任务才成为可能，而管理多任务的特权代码就是内核。
  2. 问题：虚拟化思想在”线程”和”文件”两个抽象中分别体现在哪里？
    • 答案：线程把一个物理 CPU 虚拟化成多个可并发执行的逻辑执行流；文件把磁盘上物理的块集合虚拟化成命名的字节序列，用户无需关心数据在磁盘上的物理布局。