# 第 2 章实验：操作系统的三个主题，各跑一遍

原书第 2 章用 4 个小程序分别演示 **CPU 虚拟化、内存虚拟化、并发、持久化**。
这里是它们的可编译版本（`common.h` / `common_threads.h` 与原书配套代码等价）。

```bash
cd labs/02-intro
make            # 编译 cpu mem threads io
```

| 目标 | 做什么 | 该观察到什么 |
|---|---|---|
| `./cpu A` | 每秒打印一次 A，永远循环，Ctrl-C 结束 | 一个程序独占 CPU 时的样子 |
| `make cpu4` | 用 `taskset -c 0` 把 `cpu A/B/C/D` 四个进程绑到**同一个** CPU，跑 4 秒 | 只有一个 CPU，四个程序却"同时"在输出 —— OS 在它们之间快速切换（CPU 虚拟化） |
| `make mem2` | 两个 `mem` 同时跑；`setarch -R` 关掉地址空间随机化（ASLR） | 两个进程打印出**完全相同**的地址，却各自独立地从 1 数起 —— 每个进程有自己的私有虚拟地址空间 |
| `make mem2-aslr` | 同上但不关 ASLR | 地址每次都不一样：现代 Linux 默认随机化布局（原书脚注 5 说的就是这个） |
| `make race` | `./threads N`，N 从 1000 到 1000000，各跑 3 次 | N 小时结果常常正确（2N）；N 大时结果比 2N 小，而且每次都不同 —— `counter++` 不是原子操作 |
| `make io-run` | `open → write → close` 写出 `/tmp/file` | 三个系统调用把数据交给文件系统，数据在断电后依然存在（持久化） |

## 为什么

- **cpu4**：`Spin(1)` 是忙等（一直占着 CPU 读时钟）。四个进程都想要 CPU，但 0 号 CPU 只有一个，
  操作系统用**时分共享（time sharing）**让它们轮流运行，于是看起来每个程序都有一个"自己的 CPU"。
  打印顺序（A C B D …）由调度器决定，每次运行可能都不同。
- **mem2**：打印的是**虚拟地址**。两个进程的虚拟地址 `0x5555555592a0` 相同，但被操作系统映射到**不同的物理内存**，
  所以一个进程写 `*p` 不会影响另一个。第 13–23 章会讲清楚这种映射是怎么做的。
- **race**：`counter++` 编译成 load / add / store 三条指令。两个线程在多核上真正并行，
  可能都读到同一个旧值、各自加 1、再先后写回 —— 两次加法只生效一次（丢失更新）。
  N 越大，两个线程运行时间重叠得越多，出错越明显。第 26–28 章会讲如何用锁解决。
- **io-run**：`write()` 返回并不代表数据已在磁盘上 —— 文件系统通常会先把写入缓存起来再批量写盘；
  需要立即落盘时要用 `fsync()`（第 39 章）。

## 示例输出（你的机器上 PID、地址、数字会不同）

```
$ make cpu4
A
C
B
D
C
A
D
B
...
$ make mem2
(342669) address pointed to by p: 0x5555555592a0
(342668) address pointed to by p: 0x5555555592a0
(342668) p: 1
(342669) p: 1
(342668) p: 2
(342669) p: 2
$ make race
loops=1000     Final value   : 2000
loops=100000   Final value   : 186011
loops=1000000  Final value   : 1334958
```