課程簡介

課程目標

1. 理解操作系統的設計和實現
2. 通過 XV6 操作系統動手實驗，可以擴展或改進操作系統

操作系統的目標

1. Abstraction：對硬體進行抽象
2. Multiplex：在多個應用程式之間共用硬體資源
3. Isolation：隔離性，程式出現故障時，不同程式之間不能相互干擾
4. Sharing：實現共用，如數據交互或協同完成任務
5. Security：想分享的時候可以分享，不想分享的時候可以不分享，可以稱為 Access Control System
6. Performance：操作系統至少需要不阻止應用程式獲得高性能，甚至需要幫助應用程式獲取高性能
7. Range of oses：對於大部分操作系統，需要支持大量不同類型的應用程式

操作系統結構

系統調用函數

read/write 系統調用

• read 和 write 函數在執行時，不會關心讀寫的數據格式，操作系統中（內核）copy 程式會按照 8bit 的位元組流處理數據
• read 和 write 函數中第一個參數代表文件位置，shell 會確保預設情況下，當一個程式啟動時，文件描述符 0 連接到 console 的輸入，文件描述符 1 連接到了 console 的輸出。

open 系統調用

• 位元組流就是一段連續的數據按照位元組的長度讀取
• open("output.txt", O_WRONLY | O_CREATE); 第二個參數用來告訴 open 系統調用在內核中的實現：我們將要創建並寫入一個文件
• 文件描述符本質上對應了內核中的一個表單數據。內核維護了每個運行進程的狀態，內核會為每一個運行進程保存一個表單，表單的 key 是文件描述符。這個表單讓內核知道，每個文件描述符對應的實際內容是什麼。這裡比較關鍵的點是，每個進程都有自己獨立的文件描述符空間，所以如果運行了兩個不同的程式，對應兩個不同的進程，如果它們都打開一個文件，它們或許可以得到相同數字的文件描述符，但是因為內核為每個進程都維護了一個獨立的文件描述符空間，這裡相同數字的文件描述符可能會對應到不同的文件。

fork 系統調用

• fork 可以創建新的進程，該進程（子進程）與原進程（父進程）的指令、數據、堆棧、文件描述符表單完全相同

• fork 有兩個返回值，但是有獨立的地址空間（都認為記憶體從 0 開始增長）

  • 在父進程中，返回子進程的 PID
  • 在子進程中，返回 0
  • 如果創建失敗，返回-1

wait 系統調用

• wait 表示等待一個子進程退出

  • 如果調用者沒有子進程，則 wait 立即返回-1
  • 如果父進程不關註子進程的退出時狀態，可以傳一個 0 地址（或者 NULL 指針）給 wait

  pid = wait((int *)0);   // 只要一個子進程退出，wait 就結束，返回該退出的子進程的 pid 號
  

  • 如果父進程關註子進程的退出時狀態，可以使用如下方式，status將保存子進程結束時的狀態（子進程退出時exit里的參數會被保存到status中）

  int status；
  wait（&status);
  

exit 系統調用

• exit 系統調用退出程式，並釋放資源。exit 需要一個整數狀態參數，0 表示成功，1 表示失敗

exec 系統調用

• exec 系統調用使用新記憶體映像來替換記憶體的進程
  • exec 會保留當前的文件描述符
  • 通常 exec 不會返回，只有出錯時才會返回

_char _*argv[3]; 
argv[0] = "echo"; 
argv[1] = "hello"; 
argv[2] = 0;      // 標記了數組的結尾，也可以用NULL指針
exec("/bin/echo", argv);   // 相當於echo hello
printf("exec error\n");    // exec出錯時返回，否則不會運行到這裡了

• 一般來說 fork 下的子進程中調用 exec 函數來替換子進程，但這樣會造成資源浪費，因此內核通過使用虛擬記憶體技術來進行優化

pipe 系統調用

管道的概念

1. 以文件描述符對的形式提供給進程，一個表示讀端，一個表示寫端
2. 本質是一個偽文件，實質為內核緩衝區
3. 管道實際為內核使用環形隊列機制，藉助內核緩衝區（4K）實現

管道的局限性

1. 必須作用在有血緣關係的進程之間
2. 數據不能進程自己寫，自己讀（需要兩個進程，一個讀，一個寫）
3. 採用半雙工通信，數據只能單方向流動
4. 數據不能反覆讀取

管道函數

int pipe(int fd[2]) ：創建並打開管道

• 參數：fd[0] 讀端；fd[1] 寫端
• 返回值：0 成功；-1 失敗

管道程式舉例

int p[2]; 
char *argv[2]; 
argv[0] = "wc"; 
argv[1] = 0; 
pipe(p);            // 創建並打開管道
if (fork() == 0)   // 子進程
{ 
    close(0);     // 釋放文件描述符0（標準輸入）
    dup(p[0]);    // 使得文件描述符0引用了管道讀端p[0]
    close(p[0]);  // 關閉管道讀端
    close(p[1]);  // 關閉管道寫端 
    exec("/bin/wc", argv);  // wc相當於從管道讀數據（這裡其實不太理解，管道不是關上了嗎）
} 
else             // 父進程
{ 
    close(p[0]);   // 讀寫只能有一個，父進程將讀端關閉
    write(p[1], "hello world\n", 12);  // 向管道寫入數據
    close(p[1]);  // 寫完將管道關閉
}

管道的讀寫行為

1. 讀管道：

• 管道中有數據，read 返回實際讀到的位元組數

• 管道中無數據：

  • 管道寫端全部關閉，read 返回 0
  • 管道寫端沒有全部關閉，read 阻塞等待

2. 寫管道：

• 管道讀端全部關閉，進程異常終止（SIGPIPE 信號導致的）

• 管道讀端沒有全部關閉：

  • 管道已滿，write 阻塞
  • 管道未滿，write 將數據寫入，並返回實際寫入的位元組數

File system

文件系統

1. xv6 文件系統包含了數據文件（擁有位元組數組）和目錄（擁有對數據文件和其他目錄的命名引用）
2. 以 / 開頭的如 /a/b 表示根目錄 / 中 a 目錄中名為 b 的文件或目錄（絕對路徑），不以 / 開頭的是相對於當前目錄的路徑（相對路徑）

chdir 系統調用

通過 chdir 系統調用可以改變進程的當前目錄，如下兩個 open 打開了同一個文件

chdir("/a");
chdir("b");
open("c", O_RDONLY);
open("/a/b/c", O_RDONLY);

創建文件和目錄

mkdir 可以創建一個新的目錄，open 使用 O_CREATE 可以創建新的數據文件，mknod 可以創建一個新的設備文件

mkdir("/dir");
fd = open("/dir/file", O_CREATE | O_WRONLY);
close(fd);

mknod("/console", 1, 1);  // 主設備號，次設備號，唯一標識一個內核設備

當一個進程打開設備文件後，內核會將系統的讀寫調用轉移到內核設備實現上，而不是將它們傳遞給文件系統

文件鏈接

• inode 是操作系統用來儲存除了文件名和實際數據的數據結構，它是用來連接實際數據和文件名的；每個 inode 保存著文件的元數據，包括文件的類型（文件 or 目錄 or 設備）、長度、內容在磁碟的位置以及文件的鏈接數量
• fstat 系統調用從文件描述符引用的 inode 中檢索信息

// int fstat(int fd, struct stat*)，stat為接收inode信息的結構體，如fstat(fd, &st)
#define T_DIR     1   // Directory
#define T_FILE    2   // File
#define T_DEVICE  3   // Device

struct stat {
  int dev;     // File system's disk device
  uint ino;    // Inode number
  short type;  // Type of file
  short nlink; // Number of links to file
  uint64 size; // Size of file in bytes
};

• link 系統調用創建了一個引用同一個 inode 的文件

open("a", O_CREATE | O_WRONLY);
link("a", "b");  // 創建文件b，且a和b指向同一個inode

• unlink 系統調用會從文件系統中刪除一個文件名，只有當文件鏈接數為零且沒有文件描述符引用它時，文件 inode 和存放其內容的磁碟空間才會被釋放

unlink("a");   // 刪除a，此時只有b引用inode

// 創建臨時文件的一種慣用方式，它創建一個無名稱的inode，在進程關閉fd或退出時刪除文件
fd = open("/tmp/x", O_CREATE | O_WRONLY);
unlink("/tmp/x");

Linux 命令

xargs 命令

• 作用：將標準輸入轉為命令行參數；xargs 的作用在於，大多數命令（比如 rm、mkdir、ls）與管道一起使用時，都需要 xargs 將標準輸入轉為命令行參數。

$ echo "hello world" | xargs echo
hello world

上面的代碼將管道左側的標準輸入，轉為命令行參數 hello world，傳給第二個 echo 命令

$ echo "one two three" | xargs mkdir

上面的代碼等同於 mkdir one two three。如果不加 xargs 就會報錯，提示 mkdir 缺少操作參數

• 命令格式如下：

$ xargs [-options] [command]

真正執行的命令，緊跟在 xargs 後面，接受 xargs 傳來的參數