综合复习：用执行路径、不变量和反例验收理解

下面的问题连接多个章节。先遮住答案，在纸上画路径并指出源码入口。每题至少回答“正常情况怎样工作、边界怎样处理、错误实现会出现什么症状”。仅能说出术语，还没有达到修改内核所需的程度。

题一：同一条用户写指令的三种命运

用户向地址 A 写入一个字节。A 分别位于未分配的合法 heap 页、COW 页、只读文本页。硬件表面上都可能报告 store page fault，内核如何区别？

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先根据地址范围与 VMA/进程大小判断语义，再看 PTE 是否存在及权限。合法 heap 洞可分配清零页；有效 COW 页可分配副本并保留其他进程映射；普通只读文本不应获得写权限，进程应被终止。2025 vmfault 已含 lazy 分配，扩展 COW 要先处理已有映射，再保留原有逻辑。成功修复后重试原指令，不增加 epc。

题二：fork、read、exit 的所有权账本

父进程的一页缓冲区 P 含 ABC。fork 后子进程调用 read 把 XYZ 读到该缓冲区，随后父先退出、子后退出。列出物理页数与引用变化。

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fork 后双方只读 COW 映射 P，引用为 2。read 的内核 copyout 必须解除子映射的 COW，分配 Q 并先复制原页，再写 XYZ；P=1，Q=1。父退出并经相应资源回收后 P 归零；子回收后 Q 归零。若 copyout 直接写 P，父读到 XYZ；若父释放时不看引用，子会访问被回收页。这里还要区分 kexit 成为 ZOMBIE 与 kwait/freeproc 回收用户内存的具体时机。

题三：少存一个寄存器会怎样

alarm handler 运行后，程序通常正常，却在某个整数计算测试中失败。程序没有非法地址访问。为什么仍然可能是内核错误？

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中断落在任意指令边界，所有活跃寄存器都属于被打断状态。若未恢复临时寄存器或 a0，程序会继续执行合法指令，但输入值已改变，因此得到错误计算。sigreturn 经过通用分派写回 a0，也是常见的二次覆盖。验证不仅看是否回到原 PC，还要比较完整用户寄存器快照。

题四：两种看似相同的“等待”

一个线程等待队列非空，另一个等待自旋锁释放。为什么不能都写成 while 循环忙等？

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短临界区可忙等，但等待 I/O 或生产者可能持续很久，应让出 CPU。队列等待还需要检查条件与进入睡眠的原子交接，避免丢失唤醒。持自旋锁时睡眠又可能阻碍完成条件的生产者，因此需明确哪些锁只保护状态、哪些操作可阻塞。wakeup 不是资源所有权转移，醒后必须重新检查条件。

题五：给出一个能击穿错误大页实现的例子

某实现通过了“分配 2MiB 并写第一页”，但没有真正支持大页。如何用最小场景暴露问题？

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在相隔 4KiB 的位置写不同值并读回，可暴露把大页内部偏移丢弃的 walkaddr/copy 路径。释放末尾 4KiB，再读取前一页，可暴露缺少 demotion 或错误整块释放。fork 后分别修改父子最后一页，可暴露只复制前 4KiB 或错误共享。检查物理页回收还需重复创建与销毁。

题六：链接、描述符与映射的身份

一个文件已被 mmap，随后关闭 fd 并删除原路径。映射是否应立即成为悬空指针？这与符号链接有何不同？

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VMA 持有 file 引用，关闭用户 fd 只减少对应引用；删除名称也不应直接销毁仍被引用的文件对象。后续缺页仍可按持有 inode 读取。符号链接保存路径，之后解析时依据当时的命名空间；目标路径删除会使跟随失败。一个是对象引用生命周期，一个是延迟路径解析，不能混为一谈。

题七：为什么 read-write lock 不只是 readers 计数

实现允许多个读者，且写者只有 readers=0 时进入。系统持续有读请求时，写者仍可能永久等待。如何解释并修复？

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新读者不断在旧读者退出前进入，readers 永远不归零。应登记等待写者，阻止后来的读者插队；登记与进入判断需同步。等待计数每个写者只增一次，成功进入时减一次。该政策解决读者淹没写者，不自动提供 FIFO 或读者无饥饿，报告公平性时要准确。

最后的实作验收

不用打开本课程正文，画出 write → syscall → 文件系统 → 日志 → 驱动；再画出 fork → COW → copyout → 回收。任选一条路径，在真实固定分支中找到所有主要函数，并给每个资源标注创建、共享、释放点。

然后做一次“小改动—预测—验证”：例如在教学模型中故意让 fork 不清父 writable，先预测哪项测试失败，再运行并解释结果。修改后恢复模型。能提前预测失败说明你掌握了机制；只会看最终报错仍需要回到不变量。

本课程完成标准是能够独立解释这些路径并完成九个实验验收，而不是背下所有函数。进一步学习 Linux 时，可沿相同问题找更复杂的实现：多线程地址空间、TLB shootdown、页缓存、NUMA、生产文件系统恢复，都能接在这套基础上。

来源范围：2025 官方教材和本课程各实验页；以上题目及分析为围绕固定版本编写的综合练习。