第12章笔记：综合系统实验：构建可验证的小内核模型

本章问题

用一套可运行模拟器贯穿调度、同步、虚存、文件与观测。 本章不是七个术语的并列清单，而是一条从可观察现象到内部状态、从内部状态到工程证据的因果链。学习时始终标出对象身份、队列或表项、触发事件、权限边界和不可破坏的不变量。

七节机制连接

• 项目范围、不变量与事件模型：综合项目先定义事件、状态和不可破坏的不变量，再决定模块与输入格式；实验入口为建立进程、页框、文件和设备请求四类对象，规定任一时刻CPU最多运行一个任务、已分配页框不重复；反查边界是模拟器不是现实内核复制品，必须公开抽象掉的硬件、时序与安全假设。
• 调度器与时钟中断模块：事件循环推进到下一到达、时间片结束或I/O完成点，调度器只通过稳定接口读写就绪队列；实验入口为实现RR并记录每段运行、抢占和空闲，使用固定种子生成负载做回归；反查边界是不能每个时间单位蛮力循环冒充离散事件；同刻事件优先级需明确。
• 阻塞I/O与同步模块：任务发起I/O后离开CPU并进入设备队列，完成中断把它送回就绪；锁等待另有等待队列；实验入口为让两个任务竞争锁并交替发起磁盘请求，验证无任务同时持有同一互斥锁；反查边界是设备完成与锁释放同刻可能改变调度顺序，测试应固定并说明规则。
• 虚拟内存与页替换模块：每次内存引用先查驻留表，缺页触发替换和I/O阻塞，脏页增加写回事件；实验入口为把LRU接入事件循环，记录每进程缺页数、牺牲页和由缺页增加的墙钟时间；反查边界是只统计缺页次数不足以比较策略；写回成本和局部性也会改变总时间。
• 文件与崩溃恢复模块：最小文件层维护目录项、inode、数据块与日志事务，崩溃后只重放已提交记录；实验入口为执行create、write、rename并在每个持久化点注入崩溃，验证旧或新版本二选一；反查边界是模型若没有写序与提交点，就不能声称实现了崩溃一致性。
• 端到端测试、观测与反查：每个项目结论必须能由输入负载、事件日志、断言和汇总指标复现；实验入口为准备正常、边界、竞态、资源耗尽和崩溃五套场景，输出甘特图、缺页、I/O和不变量检查；反查边界是只保存最终输出会丢失首个偏差；事件日志也要限制体积并避免泄露敏感输入。
• 答辩：从现象解释到机制证据：合格答辩现场运行未知测试，定位一个故障并说明模型与真实内核的差距；实验入口为从空环境启动模拟器，运行回归，故意破坏一个锁释放，再用首个不变量失败定位；反查边界是代码行数、界面美观和术语数量都不能替代可运行、可解释与可恢复证据。

请给七节画依赖箭头：前一节留下的状态或接口怎样成为下一节输入？每条箭头补单位、事件或保护条件。若任何一节可以随意搬走且不影响上下文，说明你还没有建立章内联系。

章内实验

选择本章至少一个代码实验，从空环境运行全部内联测试，再新增一个资源耗尽、非法迁移、同刻事件或崩溃输入。保存输入、输出、参考模型、首个偏差和修复后的回归证据。不可复现的睡眠竞态或人工截图不算实验结果。

错题闭环

把错误编码为对象混淆、状态跳步、单位错误、队列顺序、竞态遗漏、权限越界或恢复假设。不要只写粗心。一周后更换数字和事件顺序重做阶段卷；能在新输入下重建机制而非记住答案，才算迁移成功。