每個核心都有自己的 cache，同一個位址就可能同時有好幾份副本，各核看到的值會不一樣。這不是加鎖能解決的問題，是硬體複製資料造成的。CS149 L14 先定義什麼叫 coherent，再拆解 snooping 的 MSI 協定：要寫就先廣播 BusRdX 讓別人作廢，MESI 多一個 E 狀態省掉「讀完再寫」的第二筆交易，directory 則把廣播改成點對點。對程式設計師最實際的後果是 false sharing：兩個 thread 寫不同變數，只因為落在同一條 cache line，就讓 cache line 在核心間來回彈，投影片的 demo 慢了三倍。
CS149 是 Kayvon Fatahalian 與 Kunle Olukotun 在 Stanford 教的平行計算課，從多核 CPU、SIMD 一路講到 GPU、AI 加速器、資料中心，最後回到 cache coherence 與 lock-free。Fall 2025 的 18 份投影片、5 個程式作業的 starter code 與 README、4 份書面作業 PDF 都能匿名取得，本系列評為 A3（足以自學）。缺口有四個：當期錄影只在 Canvas；PA1 評分用 Stanford myth 機器；PA4 要自費租 AWS Trainium2，而且課程 AMI 是私有的；PA5 的 H100 排隊系統與排行榜要 SUNet ID。公開錄影是 2023 版，本系列只拿它當聽講補充。
CS149 Fall 2025 第二講用一個計算 sin(x) 的迴圈，依序加上三個想法：把電晶體拿去做更多核心（multi-core）、讓一道指令同時驅動多個 ALU（SIMD）、在同一個核心上交錯執行多個執行緒來隱藏記憶體延遲（hardware multithreading）。前兩個增加運算能力，第三個讓運算單元在等記憶體時不閒著。結論是三個條件：平行工作要夠多、同一組工作要跑同樣的指令、平行工作要比 ALU 更多才能隱藏延遲。
Coherence 只管單一位址；memory consistency 管的是不同位址之間的讀寫，在別的 thread 眼中以什麼順序生效。CS149 L15 用兩個 thread、兩個變數的例子說明：sequential consistency 下 r1 = r2 = 0 不可能，但每顆現代處理器都有的 write buffer 會讓讀跑到寫前面，於是它變成可能。TSO、PSO、weak ordering 依序放寬更多順序換取效能，fence 與同步原語再把需要的順序補回來。對應用程式設計師的結論很短：寫沒有 data race 的程式，用同步函式庫，C11、C++11、Java 5 就保證你看到 sequential consistency。
CS149 Fall 2025 第一講先定義 speedup，再用三個課堂示範說明通訊與負載不均會吃掉加速比。接著解釋單核效能為什麼停滯：superscalar 能挖的指令層級平行大約在每時脈發四道指令就用完，時脈又被功耗牆擋住，所以效能只能靠多核與專用硬體。最後一段把焦點轉到效率：取一次 DRAM 的延遲約是 L1 cache 的 60 倍，搬 64 bits 的能耗是一次整數運算的上千倍，高效率幾乎都歸結到高效率地存取資料。
第 1 講沿 1940 年代共用 I/O 卡片、batch processing、multiprogramming 與個人電腦的演變，解釋 OS 的功能如何隨硬體成本與使用者需求逐層增加。
第 2 講先定義行程與執行緒的共享／私有狀態，再用 fork、execvp、waitpid 與 thread creation 說明核心如何建立執行單位。
第 3 講沿 running、blocked、ready 狀態轉移，拆解 PCB、context save/restore 與 dispatcher 如何完成一次 CPU 控制權交接。
第 4 講逐步拆解 Too Much Milk 的失敗排程，從具體 interleaving 推導 race condition、atomicity、critical section 與正確同步條件。
第 5 講用容量為 8 的環形 Pipe 證明：mutex 只提供互斥；condition variable 才能在 predicate 不成立時原子地釋放鎖並阻塞；Mesa semantics 下，wait 返回後必須用 while 重查條件。
第 6 講從單核心關中斷一路修到多核心 v5，追蹤 guard、lock 與 wait queue，說明 atomic exchange、spin、block 與 wakeup 如何避免 race 和 lost wakeup。
第 7 講用 request/ownership graph 拆出 deadlock 的四個必要條件，再比較 detection、prevention 與 lock ranking；實務上最常破壞 circular wait，但代價是所有模組必須遵守同一個全域順序。
第 8 講從 FIFO、round robin 與不可實作的 SRPT，推到自適應 priority queues、BSD scheduler，再處理多核心 queue contention、core affinity 與 work-conserving 的衝突。
第 9 講沿著 source→assembly→object→executable→process，拆解 linker 的三次掃描、symbol relocation，以及 dynamic loader 如何用 jump table 把 shared library 位址延後到啟動時解決。
第 10 講從 stack 的可預測 LIFO，推到 heap 的 free lists、first/best fit 與 slabs，再比較 reference counting 和 mark-and-sweep 如何在 dangling pointers、leaks、cycles、fragmentation 間取捨。
第 11 講的官方 PDF 與 Lecture 10 逐位元組相同；本文誠實保留此 artifact 缺口，聚焦後半的 reachability、dangling pointers、leaks、reference-count cycles 與 mark/compact GC。
第 12 講把 trust 定義為自願承受 vulnerability，區分 over-trust 與 untrustworthiness，再用 assumption、inference、substitution 分析 Linux TCB、xz attack 與 AI code policy。
第 13 講從 single-tasking 與 load-time relocation 的失敗出發，以 MMU 的 base/bound 建立 virtual/physical address spaces、透明隔離與 traps，再用 segmentation 解開單一連續區域的限制。
Lecture 14 的官方 PDF 與 Lecture 13 逐位元組相同；本文明示此缺口，聚焦 segmentation 如何以多組 base/bound/protection 支援 growth、sharing、compaction，以及 fixed-count、fragmentation、rigid layout 限制。
第 15 講以固定大小 pages 消除跨 process external fragmentation，再拆解 x86-64 四層 page-table walk、sharing/aliasing 與 TLB，說明 translation speed、table sparsity、context switch 和 page size 的連動取捨。
Demand paging 只在需要時載入頁面；present bit、精確例外與可重啟指令讓核心能從 executable、zero-fill 或 backing store 安全補頁。
第 17 講把 demand paging 分成 fetching 與 replacement：MIN 無法預知未來，精確 LRU 成本過高，Clock 只靠 reference／dirty bits 找夠舊的 page；active working sets 放不進 RAM 時，1% fault rate 就可能帶來約 1,000 倍 slowdown。
磁碟把機械式 seek 與 rotation 隱藏成線性 block API；現代 I/O 再用 memory-mapped registers、DMA queues 與 interrupts，讓 CPU 只負責下命令和收完成通知。
檔案系統把耐久 byte collection 映射到磁碟 blocks；contiguous、linked 與 FAT 分別交換 locality、成長彈性、random access 與 metadata 成本。
4.3BSD inode 用 direct、single-indirect 與 double-indirect pointers 讓 lookup depth 隨檔案大小分級；FIFO、SPTF、SCAN 與 CSCAN 則交換 seek cost、公平性與等待時間。
Block cache 把熱索引留在 DRAM，bitmap 與保留空間維持配置選擇，fragments 和 delayed allocation 則用較晚、較完整的資訊換取 locality。
Directory 把文字名稱映射到 file-system-local i-number；hard link 共享 inode 與 reference count，symbolic link 則保存 pathname，換得跨檔案系統能力但可能形成 loop 或 dangling link。
檔案系統一次操作會改動多個 block，崩潰卻可能發生在任兩次寫入之間；本講比較 fsck、ordered writes 與 write-ahead logging 如何交換復原時間、效能、耐久性與一致性。
第 24 講從 WAL 入口往下拆 transaction、idempotent replay 與 checkpoint，說明一致性不等於 durability，journal 也不能取代 fsync 與備份。
第 25 講把 trust 拆成假設、推論與替代三種建立方式，再檢視社群推薦、生成式 AI 與合成媒體如何放大過度信任；實務答案是保留來源、交叉驗證並協調責任。
Flash 只能逐頁 program、整個 erase unit 清除；FTL 以 out-of-place mapping 隱藏不對稱，再用 garbage collection、temperature segregation、wear leveling 與 TRIM 管理放大成本。
第 28 講把整學期收斂成並行、記憶體、儲存三條主線，再用 virtualization、atomicity、locality、layering 四個觀念解釋作業系統如何管理共享資源。