在internet services课上老师说到Capriccio 是用户模式下的thread library，OS课里第2个project也是实现一个用户模式下的线程库。之前用过POSIX库，我知道这是在内核模式里的线程库，那就表示由内核来创建、调度线程吧。但内核就像一个黑盒，一直不明白它做了什么，怎么做到的。Modern Operating System有章讲user space和kernel space控制线程。

在user space：所有线程的管理都在用户区，内核不知道多线程的存在。在用户区实现的好处是，可以在不支持多线程的操作系统上运行多线程，减少在用户模式和内核模式间切换，可以用应用程序来进行线程调度（比如有个garbage collector线程，我们希望这个线程不会打扰其他线程的执行）。坏处是，如果某个线程里发生了一个阻塞的系统调用，系统切换到内核态。但由于线程管理在用户态，内核不知道多线程的存在，不知道除了当前被阻塞的这个线程，还有其他线程想要执行，所以任由该线程阻塞，直到得到结果、阻塞结束或者分给这个进程的时间片用完了。

在用户模式和内核模式间切换的过程发生了什么呢，为什么会有很大的开销？从发生一个系统调用开始说吧。单核CPU任何时间只能执行一条指令，当某个应用运行在用户态，它需要获取系统资源时，如从disk上读数据，它就必须转换到内核态、去执行内核里的代码。以调用read函数为例，首先应用调用C标准库里的read函数（library procedure），标准库函数里它发生一个系统调用，也叫read。在这个过程里，库函数把要发生的系统调用的编号存在某个地方如寄存器里，然后执行TRAP指令，从用户态进入内核态。TRAP和普通的函数调用类似，将函数指针指向另一个函数入口并把返回地址入栈，实现跳转。不同的是，TRAP后指针指向内核代码，普通函数调用是指向用户态的另一段代码；TRAP不能跳到一个任意的地址。接下来，内核会检查之前放在寄存器里的系统调用的编号，通过查表跳到对应的处理函数里。等系统调用完成了，重新回到用户态。

http://www.cnblogs.com/gtarcoder/articles/5278074.html

哪些代码是属于内核的？为什么要把指令分为两种等级，用户态和内核态？

在kenel space：在内核区进行线程调用的话，若某个线程发生阻塞型的系统调用，内核会切换到另一个线程，解决了用户区的问题。在多线程运行中，有如何处理信号的问题。信号是发送给一个进程，而不是单个线程。所以当收到一个信号，由哪个线程来处理呢？书里简单介绍，不同的线程注册不同的信号，所以某个信号会由对它感兴趣的那个线程来处理。

之前不明白，怎样就是创建了一个新的线程呢？思考一下什么构成了一个线程，线程可以由哪些来表示？当然是线程状态了，包括函数计数器，线程栈，一些寄存器值。就像一个snapshot，能从这些数据重新恢复一个暂停的线程。所以在thread library里，要保存下每个线程的snapshots，调出某个snapshot，恢复寄存器的各种状态，从函数计数器指向的地方开始执行。

大部分操作系统在存储上都用了虚拟。代码看见的地址都是虚拟地址，不论是用户态还是内核态，每个进程有自己的页目录和页表，页表里记录了虚拟地址到物理地址的映射。为什么要用虚拟地址？首先虚拟空间可以大于物理空间、即内存的大小。可能会有疑问，因为一个进程用的是虚拟地址，如果它用到的地址空间大于内存空间，怎么正常运行？实际上，把需要用到的数据划成很多固定大小的页，在某个执行时刻，并不是所有的页都要用到。内存中只需要存当前用到的页面。当某个时候进程请求的页不在内存中，产生page fault，操作系统将把对应的页从磁盘加载到内存里，替换掉不需要的页。另外，虚拟地址给一个进程提供了一块连续的地址空间。

什么时候操作系统需要处理页？创建进程、执行进程、页故障、结束进程时。

数据库里如何保证一个交易的原子性呢？原子性表示一个交易或者发生、或者不发生，all or none. 故障可能发生在交易进行的过程中，原子性不允许这种交易完成一半的情况，所以要么继续进行、完成交易，要么回退到最初的状态。

一种办法是deferred-modification，就像ds第二个project里cache时采用copy-on-write。在这里，要更新时，先创建一个数据库的副本，在副本上更新，到commit时，把指向原数据库的指针更新为指向最新副本的指针。如果在更新之前发生故障，重启后还是指向原数据库，相当于交易abort，如果更新之后发生故障，重启后指向更新的数据库，交易成功commit。但在这里需要保证指针更新的原子性，这个原子性可以由disk硬件来保证。

一种办法是直接在原数据上修改，但为每个修改都创建一条日志。可以根据日志判断某个交易进行到哪个状态，如果需要回退，就是撤销之前的操作。日志需要及时写入disk，保证不会在故障中消失。

4-15 OS（线程，用户态，内核态，页） 数据库（原子性，日志） JAVA（I/O）