彭民德：《電子計算60年》 (19) UNIX核心反彙編程式碼有啃頭

UNIX第六版的程式畢竟是1974年的版本，時間已經過去10年了。它對於我們來說雖然還是全新的，但在國外已經有新的作業系統出來了，不能滿足於僅僅對UNIX第六版的分析，我們必須設法跟蹤最新的東西。當時手邊使用的機器是新買來的DUAL 68000微機，借摩托羅拉68000晶片命名。這種晶片單位面積上儲存68000個電晶體，當時用“芝麻粒上千條街”來形容整合度已經很高。機器還配了儲存管理部件MMU,硬體是很新的。軟體也好，其作業系統是UNIX 第七版，可以帶8臺終端，我們配了4臺，是一種多使用者機器。這款機器定位為微機，因為它跟以往的PDP等第三代機器相比，體積尺寸已經大為減小，就擺放在實驗桌上。但就其功能來說，具備一臺第三代多使用者機的全部特徵。

既然新版UNIX就工作在我們身邊，天天跟它打交道，能不能深入瞭解它的核心部分？作為一個新的版本，又有什麼新技術呢？

隨機資料只有厚厚的幾大本使用手冊，還是英文的，只告訴你怎麼去用它，不提供關於核心工作細節資料，更不提供原始碼。UNIX核心以檔案捲上一個單獨的UNIX.exe檔案駐留在磁碟上。因為是二進位制形式的，無法讀懂。從道理上知道在系統開機後會把這個檔案讀到記憶體，並讓它工作起來，管理整臺機器，提供使用者上機服務。

UNIX有一條支援閱讀可執行程式碼檔案的命令，可以把exe檔案內容以反彙編形式顯示出來。它相當於後來在MS-DOS環境下的debug，如果借用這個工具把UNIX的反彙編程式碼列印出來，是不是可以對程式碼做一些分析呢？

但是難度太大了。一個有幾百K位元組的exe檔案，又是已經把許多程式檔案和資料檔案裝配在一起的二進位制檔案，反彙編程式碼長度十分可觀，難以駕馭。反彙編出來的程式碼並不能保證跟原來的組合語言程式碼完全一致。最難的是經編譯和彙編並裝配之後的可執行程式，沒有符號變數，沒有可視形式資料結構，閱讀起來還沒準遇到無法預估的困難。

有幾個因素促使我們無論多麼困難，也要分析UNIX 核心第7版反彙編程式碼。一是有一個軟體（電算）專業高年級學生班（電算80），曾用一個學年144課時學習了作業系統原理，並分析了UNIX V6全部原始碼。期末考查題抽出main、newproc、sleep、iswtch等程式設問，問執行某個語句後，某個資料結構的內容；要求在給定條件下具體裝配程式的頁表； sleep怎樣保證呼叫程式放棄CPU，達到入睡目的；一個新程式被建立之後，有何舉措保證它或遲或早有機會執行，而不至於餓死；問不容易懂但很有內涵的2238行設定理由，“以表明你確實已加入2238行俱樂部”。“2238行俱樂部”一語來自於作者們寫的《UNIX程式碼註釋》對該行語句的註釋，它風趣地讓人閱讀程式碼儘可能輕鬆一些。考查得這樣細緻，說明我們分析程式碼具體而深入，學生們掌握得不錯。李舒揚同學還在接下來的一個寒假進一步閱讀，1984年春天給了我一份頗有見地的學習心得。我堅信像李舒揚、李建華等一批學生，對UNIX已有較深入認識。

二是這個班班風好，班幹部個個學習好，有能力有威信。這個班全面發展，體育活動也好，有班足球隊，系運動會班總分第一，韋春平的跳高成績在他畢業後10多年還保持為全校記錄。該班整體身心素質都好。

三是學生即將畢業而又不愁分配，他們都包分配，地點崗位都不錯，能夠集中精力於畢業設計。

這幾個條件隨便缺少哪一個，估計反彙編程式碼分析就不會搞。此時條件齊備，我們便下決心把全部程式碼列印出來，提出以此作為畢業設計課題。得到了老師支援，學生們歡迎。1984年上半年，電算80班級20位學生做畢業設計，分析UNIX第七版反彙編形式的程式碼。

反彙編形式的程式碼比源程式要長很多，而且要列印兩份，一份拆分給學生分析使用，每人至少也有上千行。另一份儲存完整形式為大家查詢公用。當時尚處在主要採用針式印表機的年代，摺疊式兩側有齒輪導孔的寬行列印紙，500頁一疊，要用好幾本。反彙編程式碼的列印工作量就很大，噪聲又討嫌。機房的老師和上機的師生們給予了大力支援，我們的分析工作才得以進行。

電子樓本班原來的專用教室，成了畢業設計專用教室。每人陸續找出資料和資料結構，理清模組呼叫關係。因為模組多，當時的UNIX採用的是非層次的模組結構，呼叫關係不是很容易搞得清的，必須多人多次常溝通。不但把黑板用上，還買來白紙書寫貼於牆上，教室裡都貼滿了。有的程式時不時往記憶體某個(片)地方讀或寫，那裡一定是某個資料結構。對第六版已有的認識無疑給我們奠定了基礎。

勞動得到了回報，工作是成功的。發現UNIX在保留原有主要技術和特色的同時，尺寸有較大幅度增加，有一些合理的改進，基本上搞清楚了新版本所做的這些改進。改進之處可以分為三類，一是為適應新的硬體而新加的部分，這也是程式尺寸增加的主要因素。比如，DUAL 68000直接定址能力較PDP-11/40從256KB達到16MB，採用了MOTOROLA 68451 MMU儲存管理部件，系統增加了一組管理MMU程式。新增加了軟盤驅動器，故增加了一組fdc管理程式。中斷與捕獲處理也因硬體不同而稍有不同。第二類是針對第六版的缺點，從自身效率方面的改進，這種改進貫穿於核心程式的每一部分。比如原先版本支援最多50個程式共存，新版本改為40個，排程起來效率會高一些。又比如原先就緒程式不排隊，排程時要考察所有就緒程式，而現在設立了就緒佇列，使排程快得多。第三類是為方便使用者使用的改進，比如系統呼叫從41條增至53條。

這些改進我們馬上歸納起來寫了“UNIX第七版核心的主要改進”一文（《計算機工程與應用》1984年第12期），跟同行們分享。該文1985年曾被評為鐵路高校優秀論文一等獎。

這次活動對每位參與者的學術能力是個很好的鍛鍊，這一收穫的意義甚至比理解了UNIX本身還要大。從人員的組織，小組劃分，把任務落實到個人，進度的協調，知識點的梳理和認識的統一，參考文獻的查閱，都得一步步進行。怎麼規劃自己的工作步驟，怎麼協作和協調，怎麼及時把別人的成果用到自己的工作上來，是不是要調整自己的工作計劃，等等，個個都得面對。每個學生寫的論文都像模像樣，可以說都站在當時作業系統領域的技術前沿。20人一起不分組畢業答辯，這樣可以交叉地聽，交叉提問。因為這是大家經過艱苦努力得到的認識，報告極其認真，事先都用白紙畫了程式流程圖和模組呼叫關係圖等。同學們的答辯會就是一個有深度的學術報告會。有些提問也很尖銳。比如
有人問鍾寧：甲程式啟動它的I/O後就睡眠了，當I/O完成後發生裝置中斷，被中斷的是當時執行的另一個乙程式。那麼乙程式利用自己的CPU時間幫甲程式做事，處理跟自己無關的裝置中斷。你認為這樣對於乙程式公平嗎？UNIX這種設計策略是不是有缺陷？
鍾寧回答：雖然乙程式幫甲程式處理了中斷，但乙程式的I/O中斷也是別的程式幫處理的。既然都要別人幫助，那就是互相幫助，也就公平了，UNIX的排程策略無可厚非。
答得巧妙和風趣。

（本文內容也可參看 彭民德《電子計算60年》第4章 電子工業出版社）