彭民德：《電子計算60年》（18）UNIX原始碼的一些運用

手頭有了UNIX原始碼，就有運用的天地。曾經看到中科院計算（軟體）所、成都電訊工程學院、合肥工大等單位有過應用報導。我們也在閱讀分析的同時，首先把它用於教學。UNIX中的程式可以作為作業系統、資料結構、C語言、軟體工程等課程的用例。在北京大學第二分校劉日昇、孫玉芳1982年3月編寫的《UNIX作業系統分析報告》的附錄中，就實際地選擇羅列了UNIX原始碼中的16個C函式，提供學習C語言使用。我們也從UNIX原始碼中選擇陣列、結構、指標等資料型別和諸如線性表、連結串列操作程式作為相應的教學用例。

對於UNIX原始碼的又一項運用是，1987年我們開發了一個基於UNIX環境的用於作業系統輔助教學的OSCAI系統（以caios命名）。鑑於作業系統核心工作從計算機外面看不見摸不著，很難理解，而閱讀原始碼雖然有較大收穫，但面對一本靜態的程式程式碼，要理解作業系統的動態性還是很難的。我們想通過跟蹤應用程式的執行過程，儘可能展示作業系統核心，在加工該應用程式某些特定語句時的實際狀況。如果能夠做到這一點，那麼第一，應用程式和作業系統都是實際的，應用程式可以獲得預期結果。第二，看不見的核心加工應用程式的過程，可以適當展示出來，提供外界對計算機內部工作過程，一種較直觀的瞭解。要實現上述功能，顯而易見的難度是核心程式碼和資料區無法訪問，核心程式碼在管理態執行，神聖不可侵犯。

我們的做法是，在應用程式和作業系統之間，增加一層OSCAI軟體，它截獲應用程式請求作業系統所做的系統呼叫，模擬核心對該系統呼叫進行加工，讀取通過系統呼叫可以得到的，核心與執行該應用程式相關的資料結構，並受控地顯示給應用者。這個OSCAI就是模擬UNIX的一個在使用者態執行的作業系統，因為借鑑了UNIX V6原始碼和第七版的技術，這種模擬可以接近真實。

OSCAI模擬核心設定了一套同名的資料結構，又用與核心相同的演算法編寫了在其上的一套操作程式。這些程式凡是能夠引用UNIX系統呼叫實現自己功能的，都用系統呼叫實現，讓實際UNIX去加工，以保持真實性。從UNIX來看，OSCAI只是一個實用程式，但從使用者來看，它是一個看得見摸得著的作業系統。

這樣做的代價是，記憶體中除了已有的UNIX，還有一套相似的OSCAI，增加了程式碼的冗餘，減慢了使用者程式的執行速度。但使用者可以選擇是否呼叫OSCAI，如果不用，那就保持原先的作業系統環境，不會增加程式碼冗餘。

本系統在UNIX環境下工作。使用本系統與使用UNIX的基本命令和其它實用程式的方法完全一樣。下面用例子加以說明。假定有一個C語言程式，檔名為prog.c，其中包含若干條系統呼叫。一方面可以用通常的方法編譯執行，顯示結果，也可以呼叫我們的caios，只要執行命令“caios prog.c”即可。
caios 是一個shell程式，包括下列依序的4步動作：
addcai $1
cc –o caios$$ caiosinit.c $1 –lcai
caios$$
rmcai $1
其中：
1. 命令“addcai $1”對prog.c進行加工，將程式中各條系統呼叫的名字，悄悄地在前面加上cai。比如，將
fd=open(“name”，0)；
改成
fd=caiopen(“name”，0)；
以便程式執行時不是直接由UNIX截獲，而是先經由我們的OSCAI系統加工。同時將使用者程式中的主函式main改為mmain，使它變成一個一般函式名，以便能夠與我們的caiosinit.c一起編譯成一個目標程式。
2. 命令“cc –o caios$$ caiosinit.c $1 –lcai ”的功能是將$1所代表的prog.c與caiosinit.c一起編譯成目標碼檔案caios$$。檔名中包含當前程式號$$，可以保證目標檔名的唯一性。後面的任選項告訴編譯程式cc，編譯時引用我們寫的OSCAI庫函式。命令列中的caiosinit.c對使用者程式做些預處理，執行經改造了的使用者程式mmain，最後做些善後處理。其程式碼為：
main(){
caiinit();
mmain();
endinit();
}
3. 命令“caios$$”是執行目標檔案。
4. 執行命令“rmcai $1”，還原上面被加工了的使用者程式。

考慮核心資料結構太多，對於OSCAI追蹤系統呼叫執行過程中，要顯示的系統資料進行了精選。僅顯示核心3類重要資料結構，即有關程式管理方面的proc結構、user結構；有關儲存管理方面的u.u_uisa和u.u_uisd頁表結構；有關檔案管理方面的filesys、inode、 u.u_file和file結構。這批資料讓使用者對於核心的瞬時情況有了基本瞭解。這些資訊無法從核心獲得的，來自我們的OSCAI，凡是能夠經系統呼叫從核心取得的，便直接取自核心，以儘量保持資料的真實性。

系統以醒目的表格形式顯示各個資料結構。要顯示的資料結構，有的往往又含有指向其它資料結構的指標成員，在這種情況下，就像對一顆樹進行搜尋一樣，不用退出顯示程式，就可以逐枝地任意搜尋整棵樹。顯示模組還利用了VDU-140圖形終端具有4屏顯示緩衝的特點，可以對4屏內容同時、輪流查閱。

下面引用一個例項。現有一個C語言的父子程式通訊程式：
char buf[]={“A:How do you do?\n”};
main()
{
int fpd[2];
char buf[20] ; pipe(fdp);
if(fork()==0) {
close(fdp[0]);
write(fdp[1],buf,20);
close(fdp[1]);
exit(0);
}
read(fdp[0],buf,20);
printf(“%s\n”,buf);
}

上面程式的功能是父程式用系統呼叫pipe() 建立一個通訊管道，並用系統調fork()建立一個子程式，子程式經管道向父程式發信“A:How do you do?”，父程式接收後把信件顯示到螢幕上。該程式被OSCAI按照上述辦法做第一步處理後，將被改造成下述樣子：
char buf[]={“A:How do you do?\n”};
mmain()
{
int fpd[2];
char buf[20];
caipipe(fdp);
if(caifork()==0) { caiclose(fdp[0]) ; write(fdp[1],buf,20);
caiclose(fdp[1]);
caiexit(0);
}
read(fdp[0],buf,20)；
printf(“%s\n”,buf);
}

其中有幾條系統呼叫pipe、fork、close、exit被修改成由我們控制的caipipe、caifork、caiclose、caiexit，而系統呼叫read、write當時尚未把它們寫到OSCAI中，那就直接交給UNIX處理。程式執行中可以顯示一些資料結構的變化，以反映作業系統核心加工該程式的情況。

作為第一階段工作，我們在OSCAI子程式庫中，包含了25條以cai打頭的系統呼叫。

系統開發完成後，我們寫了一篇文章，參加了1988年10月在上海召開的亞太你地區國際計算機教育會議。同一組4篇論文中，另有清華大學、復旦大學各一篇，還有一篇是美國人的。

在掌握了UNIX和C語言後，又一項運用是，對於我的同事們正在進行的“UNIX漢化”專案進行支援。當時執行最新的UNIX第七版的Dual 68000的多使用者微機，是純英文環境。馬友申老師等正在做漢化工作，將國標的常用漢字以點陣字型檔的方式存到硬碟上，提供輸入/輸出介面，必要時能夠從硬碟上取出漢字點陣，送到顯示緩衝器把漢字顯示到螢幕上，或者送到印表機列印。當時還沒有帶硬字型檔的漢字印表機，用這種方式列印速度比較慢，但是解決了從無到有的問題也是一個飛躍。我參與用C語言編寫了電話號碼查詢程式。基本實現是將一組常用電話，用“單位或姓名 電話號碼”記錄形式，存於正文檔案中，查詢程式每次從檔案讀入一塊512位元組資訊到記憶體快取。提供查詢介面接收查詢輸入，用C語言提供的字串操作函式，逐條記錄進行匹配，將匹配的記錄顯示到螢幕上。在專案的鑑定會上，專家們隨意用他單位或者本人的中文名，都可以執行程式phone查出所要的電話號碼，或者反過來，也可以用電話號碼查出名稱。程式經編譯讓phone獲得執行權後，就可以查詢了。例如執行
$ phone 湖南大學
將報告
湖南大學 82711
執行
$ phone 26356
將報告
國防科大 26356
當時還是用5位電話號碼。由此表明我們得到了最初的UNIX系統的漢化成果，時間是1984年。

用C語言寫的電話號碼查詢程式不到50行，很小巧。我們還用UNIX的shell語言寫了同樣功能的程式，那就更簡單了。比如先把電話號碼存到當前目錄下檔案phone_num中，再用下列方法生成一個執行grep查詢功能的程式檔案phone。
$ echo ‘grep $1 ./ phone_num’ > phone
這個shell程式phone中只有一個語句，比C語言程式簡單多了。用 $chomd +x phone
賦予它執行權，就可以像上述C程式一樣進行查詢了。

（與本文相關的更多內容，可參看 彭民德《電子計算60年》第4章 三代計算併發共享　電子工業出版社）