Operating Systems Three Easy Pieces v1_0

【实例简介】从官网下载并制作

【实例截图】

【核心代码】

Contents
To Everyone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
To Educators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
To Students . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Final Words . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
1 A Dialogue on the Book 1
2 Introduction to Operating Systems 3
2.1 Virtualizing The CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Virtualizing Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Concurrency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Persistence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Design Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.6 Some History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Homework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
I Virtualization 21
3 A Dialogue on Virtualization 23
4 The Abstraction: The Process 25
4.1 The Abstraction: A Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 Process API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 Process Creation: A Little More Detail . . . . . . . . . . . . 28
4.4 Process States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.5 Data Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
xiii
xiv CONTENTS
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Interlude: Process API 37
5.1 The fork() System Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 The wait() System Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 Finally, The exec() System Call . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4 Why? Motivating The API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.5 Process Control And Users . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.6 Useful Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6 Mechanism: Limited Direct Execution 49
6.1 Basic Technique: Limited Direct Execution . . . . . . . . . 49
6.2 Problem #1: Restricted Operations . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3 Problem #2: Switching Between Processes . . . . . . . . . . 55
6.4 Worried About Concurrency? . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Homework (Measurement) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7 Scheduling: Introduction 65
7.1 Workload Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.2 Scheduling Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.3 First In, First Out (FIFO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.4 Shortest Job First (SJF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.5 Shortest Time-to-Completion First (STCF) . . . . . . . . . . 69
7.6 A New Metric: Response Time . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.7 Round Robin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.8 Incorporating I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.9 No More Oracle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8 Scheduling:
The Multi-Level Feedback Queue 77
8.1 MLFQ: Basic Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.2 Attempt #1: How To Change Priority . . . . . . . . . . . . 79
8.3 Attempt #2: The Priority Boost . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.4 Attempt #3: Better Accounting . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.5 Tuning MLFQ And Other Issues . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.6 MLFQ: Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
OPERATING
SYSTEMS
[VERSION 1.00] WWW.OSTEP.ORG
CONTENTS xv
9 Scheduling: Proportional Share 89
9.1 Basic Concept: Tickets Represent Your Share . . . . . . . . 89
9.2 Ticket Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.4 An Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.5 How To Assign Tickets? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.6 Why Not Deterministic? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.7 The Linux Completely Fair Scheduler (CFS) . . . . . . . . . 95
9.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10 Multiprocessor Scheduling (Advanced) 103
10.1 Background: Multiprocessor Architecture . . . . . . . . . . 104
10.2 Don’t Forget Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
10.3 One Final Issue: Cache Affinity . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.4 Single-Queue Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
10.5 Multi-Queue Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
10.6 Linux Multiprocessor Schedulers . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
11 Summary Dialogue on CPU Virtualization 117
12 A Dialogue on Memory Virtualization 119
13 The Abstraction: Address Spaces 121
13.1 Early Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
13.2 Multiprogramming and Time Sharing . . . . . . . . . . . . 122
13.3 The Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
13.4 Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
13.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
14 Interlude: Memory API 131
14.1 Types of Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
14.2 The malloc() Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
14.3 The free() Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
14.4 Common Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
14.5 Underlying OS Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
14.6 Other Calls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
14.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
⃝c 2008–18, ARPACI-DUSSEAU
THREE
EASY
PIECES
xvi CONTENTS
15 Mechanism: Address Translation 141
15.1 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
15.2 An Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
15.3 Dynamic (Hardware-based) Relocation . . . . . . . . . . . 145
15.4 Hardware Support: A Summary . . . . . . . . . . . . . . . 148
15.5 Operating System Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
15.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
16 Segmentation 155
16.1 Segmentation: Generalized Base/Bounds . . . . . . . . . . 155
16.2 Which Segment Are We Referring To? . . . . . . . . . . . . 158
16.3 What About The Stack? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
16.4 Support for Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
16.5 Fine-grained vs. Coarse-grained Segmentation . . . . . . . 161
16.6 OS Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
16.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
17 Free-Space Management 167
17.1 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
17.2 Low-level Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
17.3 Basic Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
17.4 Other Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
17.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
18 Paging: Introduction 185
18.1 A Simple Example And Overview . . . . . . . . . . . . . . 185
18.2 Where Are Page Tables Stored? . . . . . . . . . . . . . . . . 189
18.3 What’s Actually In The Page Table? . . . . . . . . . . . . . 190
18.4 Paging: Also Too Slow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
18.5 A Memory Trace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
18.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
19 Paging: Faster Translations (TLBs) 199
19.1 TLB Basic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
19.2 Example: Accessing An Array . . . . . . . . . . . . . . . . 201
19.3 Who Handles The TLB Miss? . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
19.4 TLB Contents: What’s In There? . . . . . . . . . . . . . . . 205
19.5 TLB Issue: Context Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
19.6 Issue: Replacement Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
OPERATING
SYSTEMS
[VERSION 1.00] WWW.OSTEP.ORG
CONTENTS xvii
19.7 A Real TLB Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
19.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Homework (Measurement) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
20 Paging: Smaller Tables 215
20.1 Simple Solution: Bigger Pages . . . . . . . . . . . . . . . . 215
20.2 Hybrid Approach: Paging and Segments . . . . . . . . . . 216
20.3 Multi-level Page Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
20.4 Inverted Page Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
20.5 Swapping the Page Tables to Disk . . . . . . . . . . . . . . 227
20.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
21 Beyond Physical Memory: Mechanisms 231
21.1 Swap Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
21.2 The Present Bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
21.3 The Page Fault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
21.4 What If Memory Is Full? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
21.5 Page Fault Control Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
21.6 When Replacements Really Occur . . . . . . . . . . . . . . 237
21.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Homework (Measurement) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
22 Beyond Physical Memory: Policies 243
22.1 Cache Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
22.2 The Optimal Replacement Policy . . . . . . . . . . . . . . . 244
22.3 A Simple Policy: FIFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
22.4 Another Simple Policy: Random . . . . . . . . . . . . . . . 248
22.5 Using History: LRU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
22.6 Workload Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
22.7 Implementing Historical Algorithms . . . . . . . . . . . . . 253
22.8 Approximating LRU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
22.9 Considering Dirty Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
22.10 Other VM Policies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
22.11 Thrashing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
22.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
23 Complete Virtual Memory Systems 261
23.1 VAX/VMS Virtual Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
23.2 The Linux Virtual Memory System . . . . . . . . . . . . . . 268
23.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
⃝c 2008–18, ARPACI-DUSSEAU
THREE
EASY
PIECES
xviii CONTENTS
24 Summary Dialogue on Memory Virtualization 279
II Concurrency 283
25 A Dialogue on Concurrency 285
26 Concurrency: An Introduction 287
26.1 Why Use Threads? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
26.2 An Example: Thread Creation . . . . . . . . . . . . . . . . 289
26.3 Why It Gets Worse: Shared Data . . . . . . . . . . . . . . . 292
26.4 The Heart Of The Problem: Uncontrolled Scheduling . . . 294
26.5 The Wish For Atomicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
26.6 One More Problem: Waiting For Another . . . . . . . . . . 298
26.7 Summary: Why in OS Class? . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
27 Interlude: Thread API 303
27.1 Thread Creation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
27.2 Thread Completion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
27.3 Locks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
27.4 Condition Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
27.5 Compiling and Running . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
27.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
28 Locks 315
28.1 Locks: The Basic Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
28.2 Pthread Locks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
28.3 Building A Lock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
28.4 Evaluating Locks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
28.5 Controlling Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
28.6 A Failed Attempt: Just Using Loads/Stores . . . . . . . . . 319
28.7 Building Working Spin Locks with Test-And-Set . . . . . . 320
28.8 Evaluating Spin Locks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
28.9 Compare-And-Swap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
28.10 Load-Linked and Store-Conditional . . . . . . . . . . . . . 324
28.11 Fetch-And-Add . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
28.12 Too Much Spinning: What Now? . . . . . . . . . . . . . . . 327
28.13 A Simple Approach: Just Yield, Baby . . . . . . . . . . . . . 328
28.14 Using Queues: Sleeping Instead Of Spinning . . . . . . . . 329
28.15 Different OS, Different Support . . . . . . . . . . . . . . . . 332
28.16 Two-Phase Locks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
28.17 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
OPERATING
SYSTEMS
[VERSION 1.00] WWW.OSTEP.ORG
CONTENTS xix
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
29 Lock-based Concurrent Data Structures 337
29.1 Concurrent Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
29.2 Concurrent Linked Lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
29.3 Concurrent Queues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
29.4 Concurrent Hash Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
29.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
30 Condition Variables 351
30.1 Definition and Routines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
30.2 The Producer/Consumer (Bounded Buffer) Problem . . . . 355
30.3 Covering Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
30.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
31 Semaphores 367
31.1 Semaphores: A Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
31.2 Binary Semaphores (Locks) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
31.3 Semaphores For Ordering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
31.4 The Producer/Consumer (Bounded Buffer) Problem . . . . 372
31.5 Reader-Writer Locks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
31.6 The Dining Philosophers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
31.7 How To Implement Semaphores . . . . . . . . . . . . . . . 381
31.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
32 Common Concurrency Problems 385
32.1 What Types Of Bugs Exist? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
32.2 Non-Deadlock Bugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
32.3 Deadlock Bugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
32.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
33 Event-based Concurrency (Advanced) 401
33.1 The Basic Idea: An Event Loop . . . . . . . . . . . . . . . . 401
33.2 An Important API: select() (or poll()) . . . . . . . . . 402
33.3 Using select() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
33.4 Why Simpler? No Locks Needed . . . . . . . . . . . . . . . 404
33.5 A Problem: Blocking System Calls . . . . . . . . . . . . . . 405
33.6 A Solution: Asynchronous I/O . . . . . . . . . . . . . . . . 405
33.7 Another Problem: State Management . . . . . . . . . . . . 408
⃝c 2008–18, ARPACI-DUSSEAU
THREE
EASY
PIECES
xx CONTENTS
33.8 What Is Still Difficult With Events . . . . . . . . . . . . . . 409
33.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
34 Summary Dialogue on Concurrency 413
III Persistence 415
35 A Dialogue on Persistence 417
36 I/O Devices 419
36.1 System Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
36.2 A Canonical Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
36.3 The Canonical Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
36.4 Lowering CPU Overhead With Interrupts . . . . . . . . . . 423
36.5 More Efficient Data Movement With DMA . . . . . . . . . 424
36.6 Methods Of Device Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . 425
36.7 Fitting Into The OS: The Device Driver . . . . . . . . . . . . 426
36.8 Case Study: A Simple IDE Disk Driver . . . . . . . . . . . . 427
36.9 Historical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
36.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
37 Hard Disk Drives 433
37.1 The Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
37.2 Basic Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
37.3 A Simple Disk Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
37.4 I/O Time: Doing The Math . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
37.5 Disk Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
37.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
38 Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAIDs) 449
38.1 Interface And RAID Internals . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
38.2 Fault Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
38.3 How To Evaluate A RAID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
38.4 RAID Level 0: Striping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
38.5 RAID Level 1: Mirroring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
38.6 RAID Level 4: Saving Space With Parity . . . . . . . . . . . 458
38.7 RAID Level 5: Rotating Parity . . . . . . . . . . . . . . . . 462
38.8 RAID Comparison: A Summary . . . . . . . . . . . . . . . 463
38.9 Other Interesting RAID Issues . . . . . . . . . . . . . . . . 464
38.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
OPERATING
SYSTEMS
[VERSION 1.00] WWW.OSTEP.ORG
CONTENTS xxi
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
39 Interlude: Files and Directories 467
39.1 Files And Directories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
39.2 The File System Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
39.3 Creating Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
39.4 Reading And Writing Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
39.5 Reading And Writing, But Not Sequentially . . . . . . . . . 472
39.6 Shared File Table Entries: fork() And dup() . . . . . . . 475
39.7 Writing Immediately With fsync() . . . . . . . . . . . . . 477
39.8 Renaming Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
39.9 Getting Information About Files . . . . . . . . . . . . . . . 479
39.10 Removing Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
39.11 Making Directories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
39.12 Reading Directories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
39.13 Deleting Directories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
39.14 Hard Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
39.15 Symbolic Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
39.16 Permission Bits And Access Control Lists . . . . . . . . . . 485
39.17 Making And Mounting A File System . . . . . . . . . . . . 488
39.18 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
40 File System Implementation 493
40.1 The Way To Think . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
40.2 Overall Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
40.3 File Organization: The Inode . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
40.4 Directory Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
40.5 Free Space Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
40.6 Access Paths: Reading and Writing . . . . . . . . . . . . . . 502
40.7 Caching and Buffering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
40.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
41 Locality and The Fast File System 511
41.1 The Problem: Poor Performance . . . . . . . . . . . . . . . 511
41.2 FFS: Disk Awareness Is The Solution . . . . . . . . . . . . . 513
41.3 Organizing Structure: The Cylinder Group . . . . . . . . . 513
41.4 Policies: How To Allocate Files and Directories . . . . . . . 515
41.5 Measuring File Locality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
41.6 The Large-File Exception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
41.7 A Few Other Things About FFS . . . . . . . . . . . . . . . . 520
41.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
⃝c 2008–18, ARPACI-DUSSEAU
THREE
EASY
PIECES
xxii CONTENTS
42 Crash Consistency: FSCK and Journaling 525
42.1 A Detailed Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
42.2 Solution #1: The File System Checker . . . . . . . . . . . . 529
42.3 Solution #2: Journaling (or Write-Ahead Logging) . . . . . 531
42.4 Solution #3: Other Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . 541
42.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
43 Log-structured File Systems 547
43.1 Writing To Disk Sequentially . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
43.2 Writing Sequentially And Effectively . . . . . . . . . . . . . 549
43.3 How Much To Buffer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
43.4 Problem: Finding Inodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
43.5 Solution Through Indirection: The Inode Map . . . . . . . 551
43.6 Completing The Solution: The Checkpoint Region . . . . . 553
43.7 Reading A File From Disk: A Recap . . . . . . . . . . . . . 553
43.8 What About Directories? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
43.9 A New Problem: Garbage Collection . . . . . . . . . . . . . 555
43.10 Determining Block Liveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
43.11 A Policy Question: Which Blocks To Clean, And When? . . 557
43.12 Crash Recovery And The Log . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
43.13 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
44 Flash-based SSDs 563
44.1 Storing a Single Bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
44.2 From Bits to Banks/Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
44.3 Basic Flash Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
44.4 Flash Performance And Reliability . . . . . . . . . . . . . . 567
44.5 From Raw Flash to Flash-Based SSDs . . . . . . . . . . . . 568
44.6 FTL Organization: A Bad Approach . . . . . . . . . . . . . 569
44.7 A Log-Structured FTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
44.8 Garbage Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
44.9 Mapping Table Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
44.10 Wear Leveling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
44.11 SSD Performance And Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
44.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
45 Data Integrity and Protection 587
45.1 Disk Failure Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
45.2 Handling Latent Sector Errors . . . . . . . . . . . . . . . . 589
45.3 Detecting Corruption: The Checksum . . . . . . . . . . . . 590
45.4 Using Checksums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
OPERATING
SYSTEMS
[VERSION 1.00] WWW.OSTEP.ORG
CONTENTS xxiii
45.5 A New Problem: Misdirected Writes . . . . . . . . . . . . . 594
45.6 One Last Problem: Lost Writes . . . . . . . . . . . . . . . . 595
45.7 Scrubbing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
45.8 Overheads Of Checksumming . . . . . . . . . . . . . . . . 596
45.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
46 Summary Dialogue on Persistence 601
47 A Dialogue on Distribution 603
48 Distributed Systems 605
48.1 Communication Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
48.2 Unreliable Communication Layers . . . . . . . . . . . . . . 607
48.3 Reliable Communication Layers . . . . . . . . . . . . . . . 609
48.4 Communication Abstractions . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
48.5 Remote Procedure Call (RPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
48.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
Homework (Code) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
49 Sun’s Network File System (NFS) 621
49.1 A Basic Distributed File System . . . . . . . . . . . . . . . . 622
49.2 On To NFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
49.3 Focus: Simple And Fast Server Crash Recovery . . . . . . . 623
49.4 Key To Fast Crash Recovery: Statelessness . . . . . . . . . 624
49.5 The NFSv2 Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
49.6 From Protocol To Distributed File System . . . . . . . . . . 627
49.7 Handling Server Failure With Idempotent Operations . . . 629
49.8 Improving Performance: Client-side Caching . . . . . . . . 631
49.9 The Cache Consistency Problem . . . . . . . . . . . . . . . 631
49.10 Assessing NFS Cache Consistency . . . . . . . . . . . . . . 633
49.11 Implications On Server-Side Write Buffering . . . . . . . . 633
49.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Homework (Measurement) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638
50 The Andrew File System (AFS) 639
50.1 AFS Version 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
50.2 Problems with Version 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
50.3 Improving the Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
50.4 AFS Version 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
50.5 Cache Consistency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
50.6 Crash Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646
50.7 Scale And Performance Of AFSv2 . . . . . . . . . . . . . . 646
⃝c 2008–18, ARPACI-DUSSEAU
THREE
EASY
PIECES
xxiv CONTENTS
50.8 AFS: Other Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
50.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
Homework (Simulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652
51 Summary Dialogue on Distribution 653
General Index 655
Asides 667
Tips 671
Cruces 675