p8：并发bug和应对（死锁/数据竞争/原子性违反/防御性违反和动态分析）

防御性编程：对输入、状态和返回值进行检查，提前处理异常情况，提高程序的健壮性和可靠性。

死锁（Deadlock）：

定义：多个线程（或进程）互相等待对方释放资源，导致所有线程都无法继续执行。

产生死锁的四个必要条件：

① 互斥 ② 占有并等待 ③ 不可剥夺 ④ 循环等待

Lock Ordering（锁顺序）---一种避免死锁的方法：

核心思想：所有线程必须按照统一的顺序获取锁

并发bug：数据竞争Data Race（不上锁会带来的一种问题）

定义：多个线程同时访问同一个共享变量，且至少有一个线程进行写操作，没有使用锁或其他同步机制进行保护。

Lockdep

定义：是 Linux 内核的运行时死锁检测工具。它记录程序执行过程中观察到的锁获取顺序，并构建锁依赖有向图。若发现锁依赖图中存在环，例如 x → y 和 y → x，则说明不同线程可能以相反顺序获取锁，从而产生循环等待，Lockdep 会报告潜在死锁。

ThreadSanitizer

定义：是运行时数据竞争检测工具。它根据同一线程中的程序顺序以及线程间的 release-acquire 同步关系，建立 happens-before 关系图。对于不同线程中访问同一内存位置且至少有一次写操作的两个事件 x 和 y，如果无法证明 x happens-before y 或 y happens-before x，则认为两次访问并发发生，并报告数据竞争。

Sanitizers（运行时动态分析工具）

工具	主要检测内容
AddressSanitizer（ASan）	越界、释放后使用、重复释放等非法内存访问
ThreadSanitizer（TSan）	多线程数据竞争
MemorySanitizer（MSan）	读取未初始化的数据
UBSanitizer（UBSan）	整数溢出、错误对齐、除零等未定义行为

注：上述工具通常是在 GCC 或 Clang 编译时手动加入对应选项，编译器不会默认开启。

Canary检测栈空间越界代码如下：

核心思想：在栈空间的上下边界放置一段固定的特殊值，程序运行一段时间后，再检查这些位置：

• 如果值没有变化，说明没有越界写；
• 如果值被修改，说明程序写出了合法栈空间。

p9：操作系统的状态机模型 (操作系统的加载; thread-os 代码讲解)

  在裸机系统中，CPU 复位后会进入硬件规定的初始状态，程序计数器 PC 指向固定的 ROM 地址。ROM 中保存厂商提供的固件，固件负责初始化基本硬件，并从 Flash、SD 卡等存储介质中将二级加载器、操作系统或用户程序加载到 RAM，最后修改 PC 并跳转执行。整个启动过程依赖硬件与软件之间预先规定的地址、文件格式和调用约定。

Firmware:BIOS和UEFI

定义：都属于计算机主板中的Firmware（固件），复杂在操作系统启动前初始化硬件并加载启动程序。

1.BIOS（基本输入输出系统）是传统PC使用的启动固件。

传统 BIOS 通常读取磁盘第一个扇区（512字节），也就是 MBR，然后把其中的启动代码加载到物理内存（7c00）并执行。

电脑上电后，BIOS主要完成： 

---

CPU 复位
  ↓
执行 BIOS
  ↓
检测并初始化内存、键盘、磁盘等硬件
  ↓
按照启动顺序寻找启动设备
  ↓
读取磁盘启动扇区
  ↓
跳转执行 Bootloader
  ↓
Bootloader 加载操作系统

---

BIOS特点：

• 启动方式较老；
• 通常配合 MBR 分区表；
• 启动代码空间有限；
• 主要工作在早期 x86 实模式环境；
• 界面通常是键盘操作的文字界面；
• 对大容量磁盘和现代安全机制支持较弱

2.UEFI（统一可扩展固件接口）

  它不再只是从磁盘第一个扇区读取一小段代码，而是可以直接识别磁盘中的 EFI System Partition，ESP 分区，然后从其中加载 .efi 启动程序。

  它在 CPU 复位后完成硬件初始化，并通过统一的 EFI API 和设备驱动框架向启动程序提供磁盘、文件系统、图形和网络等服务。

---

现代UEFI PC的典型流程是：

CPU 上电或复位
    ↓
执行 UEFI Firmware
    ↓
初始化 CPU、内存和基本设备
    ↓
加载 UEFI 驱动
    ↓
UEFI Boot Manager 查看启动项
    ↓
读取 GPT 磁盘中的 ESP 分区
    ↓
加载 .efi 启动程序
    ↓
EFI 启动程序加载操作系统内核
    ↓
操作系统接管硬件

---

操作系统启动的一般流程：

上电/复位 Reset
    ↓
执行固件 Firmware
    ├─ 传统机器：BIOS
    └─ 现代机器：UEFI
    ↓
固件完成硬件初始化并选择启动设备
    ↓
加载 Bootloader
    ↓
Bootloader 加载操作系统内核
    ↓
内核初始化并启动用户空间程序

---

Makefile的一些基本概念：

1、定义：用来描述“项目如何编译”的配置文件，是make工具所读取的配置文件。

最基本的格式为：

目标文件: 依赖文件
        执行命令

2、Makefile中常用的自动变量：

自动变量	含义
$@	当前目标文件
$<	第一个依赖文件
$^	所有依赖文件

示例代码：

main: main.o utils.o
    $(CC) -o $@ $^

P10：状态机模型的应用

Profiler（性能分析器）是一种用来查找程序性能瓶颈的工具

Profiler通常分析以下指标：

• CPU时间：各函数占用了多少处理器时间。
• 调用次数：函数执行了多少次。
• 调用关系：哪个函数调用了哪个函数。
• 内存使用：在哪里申请内存，是否存在泄漏或频繁分配。
• 缓存未命中：CPU是否经常需要访问较慢的内存。
• 线程状态：线程是否长时间阻塞或等待锁。

常见工具包括：

• Linux perf
• gprof
• Valgrind的Callgrind
• Visual Studio Profiler
• Java VisualVM
• Python cProfile

P11:操作系统上的进程 (最小 Linux; fork, execve 和 exit) 

最小Linux：

整个操作系统世界都是由系统调用（进程、内存、文件、网络...）创建出来的。

这个最小Linux实际上就是“Linux内核 + 内存中的BusyBox文件系统 + 第一个用户程序 /init”，不需要真实硬盘，也能在QEMU中启动并进入Shell。

注：强调“静态链接”是因为静态程序不依赖相应动态链接器和共享库。

---

initramfs：启动时使用的内存文件系统，它只包含两个文件如下：

.
├── bin
│   └── busybox
└── init

其中busybox 是一个集成了许多常用Linux命令的小型程序，例如：

ls
cd
cat
echo
mkdir
sh

---

fork()

所在进程	返回值
父进程	子进程的PID（大于0）
子进程	0
创建失败	-1，仅父进程继续运行

根据返回值的不同，在两个进程中分别执行不同的代码。

execve（）

重置一个状态机，重置成某一个程序的初始状态。（也就是替换当前进程中的程序）

  先通过 fork() 创建一个新进程，再让子进程通过 execve() 执行另一个程序；execve() 成功后 PID 不变，但原程序的代码和内存被新程序完全替换。

exit（）

exit()------也就是清理后退出
高层、负责清理：
执行 atexit，刷新 stdio，结束整个进程。

_exit()------也就是整个进程立即退出
低层、快速退出：
不执行 atexit，不刷新 stdio，通常结束整个进程。

syscall(SYS_exit)---------也就是当前线程立即退出
原始 Linux 系统调用：
不清理用户态资源，只结束当前线程。

P12:进程的地址空间 (pmap; vdso; mmap; 游戏修改器/外挂)

进程的地址空间由若干连续的"段“组成。

地址空间： 一个进程能够使用的全部虚拟地址范围。

vdso:非陷入系统调用

作用： Linux 内核将一小段可执行代码映射到用户进程地址空间， 让部分系统服务在用户态直接完成，避免陷入内核。

优点： 减少用户态/内核态切换； 避免 syscall 指令开销； 适合高频时间查询。

进程地址空间：mmap

mmap 就是在进程的虚拟地址空间中划出一段区域，并规定这段虚拟地址应该对应文件、匿名内存或共享内存。

它主要有三种用途：

• 将文件映射到内存，之后可以像操作数组一样读写文件；
• 申请匿名内存；
• 创建进程间共享内存。

突破进程隔离：

1. 进程隔离
   Linux 中每个进程都有独立的虚拟地址空间，正常情况下一个进程不能直接访问另一个进程的内存，这是操作系统保护进程安全的机制。

2. 获取目标进程 PID
   可以使用 ps、top 等命令找到目标进程的 PID，后续通过 PID 定位目标进程。

3. 查看进程内存布局
   /proc/[PID]/maps 或 pmap PID 可以查看目标进程的内存区域，例如代码段、数据段、堆（heap）和栈（stack），从而确定可能存放目标数据的区域。

4. 访问目标进程内存
   /proc/[PID]/mem 可以映射目标进程的虚拟内存；也可以使用 ptrace 机制，在具备相应权限的情况下读取或修改目标进程的内存。gdb 等调试工具底层也依赖 ptrace。

5. 内存扫描定位数据
   如果不知道变量地址，可以先搜索已知数值，例如先搜索 2000，改变程序中的数值为 1700 后再次搜索，通过不断缩小候选范围找到目标地址。

6. 核心流程
   获取 PID → 查看内存布局 → 获得访问权限 → 扫描/定位目标数据 → 读取或修改内存 → 验证结果。

P13:C标准库的实现（系统调用的封装，内存空间管理)

  系统调用虽然是操作系统提供的底层接口，但直接使用它比较麻烦，所以通常会提供更高层的 API 对系统调用进行封装。

高级 API
   ↓
库函数封装
   ↓
系统调用
   ↓
操作系统内核
   ↓
硬件

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P15：fork的应用（文件描述符的复制、写时复制、创建平行宇宙的魔法）