操作系統複習 MITS6.1810 lab util 記錄

来源:https://www.cnblogs.com/chanfun/archive/2023/07/30/17592244.html
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# lab util ## sleep 1. 介紹：主要用來熟悉下環境以及代碼結構。 > - See `kernel/sysproc.c` for the xv6 kernel code that implements the `sleep` system call (look for `sys_s ...


lab util

sleep

  1. 介紹：主要用來熟悉下環境以及代碼結構。

    • See kernel/sysproc.c for the xv6 kernel code that implements the sleep system call (look for sys_sleep), user/user.h for the C definition of sleep callable from a user program, and user/usys.S for the assembler code that jumps from user code into the kernel for sleep.

  2. 代碼：

    #include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
  if (argc <= 1) {
    fprintf(2, "usage: sleep `time`...\n");
  }
  
  int tick_num = atoi(argv[1]);
  sleep(tick_num);
  
  exit(0);
}

pingpong

  1. 單個管道一般用於單向通信，父子進程可通過兩個管道進行雙向通信。（管道詳細行為參考 primes 實驗部分）

  2. 代碼：

    #include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

#define BUFFSIZE 128

void perror_exit(char* err_msg) {
  fprintf(2, "%s\n", err_msg);
  exit(-1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  int toson_fd[2];
  int toparent_fd[2];

  int ret1 = pipe(toson_fd);
  int ret2 = pipe(toparent_fd);
  if (ret1 == -1 || ret2 == -1) {
    perror_exit("pipe error");
  }
  
  int pid = fork();
  if (pid == -1) { // 
    perror_exit("fork error");
  } else if (pid == 0) { // child process
    close(toson_fd[1]);
    close(toparent_fd[0]);

    // read from the pipe1
    char buf[BUFFSIZE];
    int rbytes = read(toson_fd[0], buf, sizeof(buf));
    if (rbytes == -1) {
      perror_exit("read error");
    }
    buf[rbytes] = '\0';
    
    // print the msg from parent
    fprintf(1, "%d: received %s\n", getpid(), buf);

    // write response to parent (to pipe2)
    char resp[4] = "pong";
    int ret = write(toparent_fd[1], resp, sizeof(resp));
    if (ret == -1) {
      perror_exit("write error");
    }
  } else { // parent process
    close(toson_fd[0]);
    close(toparent_fd[1]);

    // write to son
    char msg[4] = "ping";
    int ret = write(toson_fd[1], msg, sizeof(msg));
    if (ret == -1) {
      perror_exit("write error");
    }

    // read from son
    char buf[BUFFSIZE];
    int rbytes = read(toparent_fd[0], buf, sizeof(buf));
    if (rbytes == -1) {
      perror_exit("read");
    }
    buf[rbytes] = '\0';

    // print the resp from son
    fprintf(1, "%d: received %s\n", getpid(), buf);
  }

  exit(0);
}

primes

介紹

實驗要求通過 fork 和 pipe 系統調用建立起如下素數篩的 pipeline.

p = get a number from left neighbor
print p
loop:
    n = get a number from left neighbor
    if (p does not divide n)
        send n to right neighbor

img

思路

CSP 的關鍵點在於：單個步驟內部操作是串列的，所有步驟之間是併發的。步驟之間的通信通過特定的 channel 完成，這裡通過 pipe 完成。

如上圖，除去第一個進程和最後一個進程，每個進程有兩種身份（父/子）。

分析上述 pipeline, 每個進程需做如下事情：

  1. 從 left-side-pipe 中讀取數據，嘗試列印素數 prime。

    • 如果 left-side-pipe 的寫端關閉且沒讀到數據，代表沒有數據到達。本進程任務結束，正常 exit.

  2. 建立一個新的 right-side-pipe, fork 出一個子進程, 自身即作為“父身份”根據第一步得出的 prime 進行 filter, 將過濾後的數據傳入 right-side-pipe. wait 子進程，等待子進程列印結束。

    • 進程 p0 由 shell fork 創建，如果 p0 不 wait 子進程，父進程 p0 可能在所有子進程列印完成前結束，此時 shell 會向終端輸出提示符$，造成 $ 穿插在列印結果中的現象。
    • 不 wait:
      • 子進程還在運行，父進程結束 -> 孤兒進程 -> 由 init 收養。缺點：原父進程得不到子進程的狀態。
      • 父進程還在運行，子進程結束 -> 僵屍進程。缺點：占用資源得不到釋放 (task_struct)。

notes: fork 出來的子進程重覆上述操作。

註意點

  • 註意 close(pipe) 的時機，最保險的做法是儘可能早關閉不需要的讀寫端。
  • wait 操作。
  • 錯誤處理。

代碼

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

#define NULL 0

void perror_exit(char* err_msg) {
  fprintf(2, "%s\n", err_msg);
  exit(-1);
}

void child_processing(int left_pipe[2]) {
  // every process do things below：
  // 0. read from left-side pipe, and try to print a prime.
  // 1. create a new right-side pipe, do fork, pass the filtered data to right-side pipe.
  // notes: The new child processes forked will recursively do the above tasks.

  close(left_pipe[1]);
  int prime;
  int rbytes = read(left_pipe[0], &prime, sizeof(prime));
  if (rbytes == -1) {
    close(left_pipe[0]);
    perror_exit("read error");
  } else if (rbytes == 0) {
    // No more data reaches here
    close(left_pipe[0]);
    exit(0);
  } else {
    fprintf(1, "prime %d\n", prime);
  }

  int right_pipe[2];
  int ret = pipe(right_pipe);
  if (ret == -1) {
    perror_exit("pipe error");
  }

  ret = fork();
  if (ret == -1) {
    perror_exit("fork error");
  } else if (ret > 0) { // parent/current process
    close(right_pipe[0]);

    // do filtering, write data into the right-side pipe
    int num;
    while ((rbytes = read(left_pipe[0], &num, sizeof(num))) != 0) {
      if (rbytes == -1) {
        perror_exit("read error");
      }
      if (num % prime != 0) {
        write(right_pipe[1], &num, sizeof(num));
      }
    }
    // if rbytes == 0, no more data reaches. the job of this process is done
    close(left_pipe[0]);
    close(right_pipe[1]);
    
    wait(NULL);
    exit(0);
  } else if (ret == 0) { // child process
    child_processing(right_pipe);
  }
} 

int main(int argc, char* argv[])
{
  int pipe_fds[2];
  int ret = pipe(pipe_fds);
  if (ret == -1) {
    perror_exit("pipe error");
  }

  // create child process
  int pid = fork();
  if (pid == -1) {
    perror_exit("fork error");
  } else if (pid == 0) {  // child process
    // read from pipe, do filtering and pass the data to next stage
    child_processing(pipe_fds);
  } else {  // parent process
    close(pipe_fds[0]);
    
    const int MAX = 35;
    for (uint32 i = 2; i <= MAX; ++ i) {
      write(pipe_fds[1], &i, sizeof(i));
    }
    close(pipe_fds[1]);

    wait(NULL);
  }

  exit(0);
}

知識點

  1. 多個寫者向同一管道寫數據時，可以確保寫入不超過 PIPE_BUF 位元組的操作是原子的。
    • 即假設 A 寫入數據 aa; B 寫入數據 bb. 可以保證管道內數據必是 aabb 或者 bbaa，不會出現 abab 此類交叉的情況。
    • 如果寫入數據量超過限制，內核會將其切分成若幹個片段進行傳輸，write() 調用會阻塞直到所有數據都被寫入管道位置（此時便可能出現數據交叉的情況）。
  2. 如果管道的寫端被關閉，從讀端讀數據的進程讀完所有剩餘數據後，將會看到文件結束，read() 返回 0.
  3. 管道容量是有限的，非特權進程可以通過 fctnl(fd, F_SETPIPE_SIZE, size) 進行修改，修改範圍為 pagesize 和 /proc/sys/fs/pipe-max-size 之間。
    • 更大的管道容量意味著更少的上下文切換。
  4. 管道用於單向通信，即某進程在一端讀，另一進程在一端寫。
    • 如果允許父子進程都能夠讀/寫同一管道，那麼會發生競爭，需要額外的同步機制。
    • 如果需要雙向通信，分別在兩個方向上各設立一個管道即可。
  5. 關閉未使用管道 fd.
    • 如果讀進程沒有關閉管道的寫端，那麼在其他進程關閉了寫入文件描述符後，讀者也不會看到文件結束，因為內核知道至少還存在一個管道的寫入描述符打開著，即讀取進程自己。
    • 如果寫進程沒有關閉管道的讀端，那麼即使其他進程已經關閉了讀端文件描述符，寫進程仍然能夠向管道中寫入數據，最後管道被寫滿，後續的寫入請求會被永遠阻塞。
  6. 當進程嘗試向一個管道寫入數據，但是沒有進程占用該管道讀端時，內核會向進程發送 SIGPIPE 信號，預設處理會殺死進程。

find

  1. 思路：查找待查找目錄下所有條目：

    • 如果是目錄，遞歸查找
    • 如果是普通文件，比對文件名，輸出

  2. 實現：參考 ls.c 實現。目錄文件本質也是一個文件，不過文件內容是一個個 directory entry. 因此對於目錄，讀取其文件內容至 dir_entry 中，判斷其類型，進行相應處理。

  3. 代碼：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/fs.h"
#include "user/user.h"

char* fmtname(char *path) {
  static char buf[DIRSIZ+1];
  char *p;

  // Find first character after last slash.
  for (p = path + strlen(path); p >= path && *p != '/'; p--)
    ;
  p++;

  // Return blank-padded name.
  if (strlen(p) >= DIRSIZ)
    return p;
  memmove(buf, p, strlen(p));
  memset(buf+strlen(p), ' ', DIRSIZ-strlen(p));
  return buf;
}


void find(char* path, char* file_name) {
  int fd = open(path, 0);
  if (fd < 0) {
    fprintf(2, "find: cannot open %s\n", path);
    goto clean;
  }

  int ret;
  struct stat st;
  ret = fstat(fd, &st);
  if (ret < 0) {
    fprintf(2, "find: cannot stat %s\n", path);
    goto clean;
  }

  if (st.type != T_DIR) {
    fprintf(2, "find: the first param should be directory\n");
    goto clean;
  }

  char buf[512];
  if (strlen(path) + 1 + DIRSIZ + 1 > sizeof buf) {
    fprintf(2, "find: path too long\n");
    goto clean;
  }

  
  strcpy(buf, path);
  char* p = buf + strlen(buf);
  *p++ = '/';
  struct dirent de;
  while (read(fd, &de, sizeof(de)) == sizeof(de)){
    if (de.inum == 0)
      continue;
    memmove(p, de.name, DIRSIZ);
    p[DIRSIZ] = '\0';
    
    if (stat(buf, &st) < 0) {
      printf("find: cannot stat %s\n", buf);
      continue;
    }
    
    switch (st.type) {
      case T_FILE:  
        if (strcmp(file_name, de.name) == 0) {
          fprintf(1, "%s\n", buf);
        }
        break;
      case T_DIR:
        if (strcmp(".", de.name) != 0 && strcmp("..", de.name) != 0) {
          find(buf, file_name);
        }
        break;
      case T_DEVICE:
        break;
    }
  }

clean:
  close(fd);
  return;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  if (argc != 3) {
    fprintf(2, "Usage: %s <directory> <filename>\n", argv[0]);
    exit(1);
  }
  find(argv[1], argv[2]);
  
  exit(0);
}

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