MIT6.S081 - Lecture1: Introduction and Examples-Toy模板网

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课程简介

课程目标

理解操作系统的设计和实现
通过 XV6 操作系统动手实验，可以扩展或改进操作系统

操作系统的目标

Abstraction：对硬件进行抽象
Multiplex：在多个应用程序之间共用硬件资源
Isolation：隔离性，程序出现故障时，不同程序之间不能相互干扰
Sharing：实现共享，如数据交互或协同完成任务
Security：想分享的时候可以分享，不想分享的时候可以不分享，可以称为 Access Control System
Performance：操作系统至少需要不阻止应用程序获得高性能，甚至需要帮助应用程序获取高性能
Range of oses：对于大部分操作系统，需要支持大量不同类型的应用程序

操作系统结构

MIT6.S081 - Lecture1: Introduction and Examples

系统调用函数

read/write 系统调用

read 和 write 函数在执行时，不会关心读写的数据格式，操作系统中（内核）copy 程序会按照 8bit 的字节流处理数据
read 和 write 函数中第一个参数代表文件位置，shell 会确保默认情况下，当一个程序启动时，文件描述符 0 连接到 console 的输入，文件描述符 1 连接到了 console 的输出。

open 系统调用

字节流就是一段连续的数据按照字节的长度读取
open("output.txt", O_WRONLY | O_CREATE); 第二个参数用来告诉 open 系统调用在内核中的实现：我们将要创建并写入一个文件
文件描述符本质上对应了内核中的一个表单数据。内核维护了每个运行进程的状态，内核会为每一个运行进程保存一个表单，表单的 key 是文件描述符。这个表单让内核知道，每个文件描述符对应的实际内容是什么。这里比较关键的点是，每个进程都有自己独立的文件描述符空间，所以如果运行了两个不同的程序，对应两个不同的进程，如果它们都打开一个文件，它们或许可以得到相同数字的文件描述符，但是因为内核为每个进程都维护了一个独立的文件描述符空间，这里相同数字的文件描述符可能会对应到不同的文件。

fork 系统调用

fork 可以创建新的进程，该进程（子进程）与原进程（父进程）的指令、数据、堆栈、文件描述符表单完全相同
fork 有两个返回值，但是有独立的地址空间（都认为内存从 0 开始增长）
- 在父进程中，返回子进程的 PID
- 在子进程中，返回 0
- 如果创建失败，返回-1

wait 系统调用

wait 表示等待一个子进程退出
- 如果调用者没有子进程，则 wait 立即返回-1
- 如果父进程不关注子进程的退出时状态，可以传一个 0 地址（或者 NULL 指针）给 wait
```
pid = wait((int *)0);   // 只要一个子进程退出，wait 就结束，返回该退出的子进程的 pid 号
```
- 如果父进程关注子进程的退出时状态，可以使用如下方式，status将保存子进程结束时的状态（子进程退出时exit里的参数会被保存到status中）
```
int status；
wait（&status);
```

exit 系统调用

exit 系统调用退出程序，并释放资源。exit 需要一个整数状态参数，0 表示成功，1 表示失败

exec 系统调用

exec 系统调用使用新内存映像来替换内存的进程
- exec 会保留当前的文件描述符
- 通常 exec 不会返回，只有出错时才会返回

_char _*argv[3]; 
argv[0] = "echo"; 
argv[1] = "hello"; 
argv[2] = 0;      // 标记了数组的结尾，也可以用NULL指针
exec("/bin/echo", argv);   // 相当于echo hello
printf("exec error\n");    // exec出错时返回，否则不会运行到这里了

一般来说 fork 下的子进程中调用 exec 函数来替换子进程，但这样会造成资源浪费，因此内核通过使用虚拟内存技术来进行优化

pipe 系统调用

管道的概念

以文件描述符对的形式提供给进程，一个表示读端，一个表示写端
本质是一个伪文件，实质为内核缓冲区
管道实际为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区（4K）实现

管道的局限性

必须作用在有血缘关系的进程之间
数据不能进程自己写，自己读（需要两个进程，一个读，一个写）
采用半双工通信，数据只能单方向流动
数据不能反复读取

管道函数

int pipe(int fd[2]) ：创建并打开管道

参数：fd[0] 读端；fd[1] 写端
返回值：0 成功；-1 失败

管道程序举例

int p[2]; 
char *argv[2]; 
argv[0] = "wc"; 
argv[1] = 0; 
pipe(p);            // 创建并打开管道
if (fork() == 0)   // 子进程
{ 
    close(0);     // 释放文件描述符0（标准输入）
    dup(p[0]);    // 使得文件描述符0引用了管道读端p[0]
    close(p[0]);  // 关闭管道读端
    close(p[1]);  // 关闭管道写端 
    exec("/bin/wc", argv);  // wc相当于从管道读数据（这里其实不太理解，管道不是关上了吗）
} 
else             // 父进程
{ 
    close(p[0]);   // 读写只能有一个，父进程将读端关闭
    write(p[1], "hello world\n", 12);  // 向管道写入数据
    close(p[1]);  // 写完将管道关闭
}

管道的读写行为

读管道：

管道中有数据，read 返回实际读到的字节数
管道中无数据：
- 管道写端全部关闭，read 返回 0
- 管道写端没有全部关闭，read 阻塞等待

写管道：

管道读端全部关闭，进程异常终止（SIGPIPE 信号导致的）
管道读端没有全部关闭：
- 管道已满，write 阻塞
- 管道未满，write 将数据写入，并返回实际写入的字节数

File system

文件系统

xv6 文件系统包含了数据文件（拥有字节数组）和目录（拥有对数据文件和其他目录的命名引用）
以 / 开头的如 /a/b 表示根目录 / 中 a 目录中名为 b 的文件或目录（绝对路径），不以 / 开头的是相对于当前目录的路径（相对路径）

chdir 系统调用

通过 chdir 系统调用可以改变进程的当前目录，如下两个 open 打开了同一个文件

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

创建文件和目录

mkdir 可以创建一个新的目录，open 使用 O_CREATE 可以创建新的数据文件，mknod 可以创建一个新的设备文件

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

mknod("/console", 1, 1);  // 主设备号，次设备号，唯一标识一个内核设备

当一个进程打开设备文件后，内核会将系统的读写调用转移到内核设备实现上，而不是将它们传递给文件系统

文件链接

inode 是操作系统用来储存除了文件名和实际数据的数据结构，它是用来连接实际数据和文件名的；每个 inode 保存着文件的元数据，包括文件的类型（文件 or 目录 or 设备）、长度、内容在磁盘的位置以及文件的链接数量
fstat 系统调用从文件描述符引用的 inode 中检索信息

// int fstat(int fd, struct stat*)，stat为接收inode信息的结构体，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 系统调用创建了一个引用同一个 inode 的文件

open("a", O_CREATE | O_WRONLY);
link("a", "b");  // 创建文件b，且a和b指向同一个inode

unlink 系统调用会从文件系统中删除一个文件名，只有当文件链接数为零且没有文件描述符引用它时，文件 inode 和存放其内容的磁盘空间才会被释放

unlink("a");   // 删除a，此时只有b引用inode

// 创建临时文件的一种惯用方式，它创建一个无名称的inode，在进程关闭fd或退出时删除文件
fd = open("/tmp/x", O_CREATE | O_WRONLY);
unlink("/tmp/x");

Linux 命令

xargs 命令

作用：将标准输入转为命令行参数；xargs 的作用在于，大多数命令（比如 rm、mkdir、ls）与管道一起使用时，都需要 xargs 将标准输入转为命令行参数。

$ echo "hello world" | xargs echo
hello world

上面的代码将管道左侧的标准输入，转为命令行参数 hello world，传给第二个 echo 命令

$ echo "one two three" | xargs mkdir

上面的代码等同于 mkdir one two three。如果不加 xargs 就会报错，提示 mkdir 缺少操作参数

命令格式如下：

$ xargs [-options] [command]

真正执行的命令，紧跟在 xargs 后面，接受 xargs 传来的参数文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-852652.html

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