MIT6.S081 - Lecture1: Introduction and Examples

課程簡介

課程目標

1. 理解作業系統的設計和實現
2. 透過 XV6 作業系統動手實驗，可以擴充套件或改進作業系統

作業系統的目標

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：實現共享，如資料互動或協同完成任務
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：作業系統至少需要不阻止應用程式獲得高效能，甚至需要幫助應用程式獲取高效能
7. Range of oses：對於大部分作業系統，需要支援大量不同型別的應用程式

作業系統結構

系統呼叫函式

read/write 系統呼叫

• read 和 write 函式在執行時，不會關心讀寫的資料格式，作業系統中（核心）copy 程式會按照 8bit 的位元組流處理資料
• read 和 write 函式中第一個引數代表檔案位置，shell 會確保預設情況下，當一個程式啟動時，檔案描述符 0 連線到 console 的輸入，檔案描述符 1 連線到了 console 的輸出。

open 系統呼叫

• 位元組流就是一段連續的資料按照位元組的長度讀取
• open("output.txt", O_WRONLY | O_CREATE); 第二個引數用來告訴 open 系統呼叫在核心中的實現：我們將要建立並寫入一個檔案
• 檔案描述符本質上對應了核心中的一個表單資料。核心維護了每個執行程序的狀態，核心會為每一個執行程序儲存一個表單，表單的 key 是檔案描述符。這個表單讓核心知道，每個檔案描述符對應的實際內容是什麼。這裡比較關鍵的點是，每個程序都有自己獨立的檔案描述符空間，所以如果執行了兩個不同的程式，對應兩個不同的程序，如果它們都開啟一個檔案，它們或許可以得到相同數字的檔案描述符，但是因為核心為每個程序都維護了一個獨立的檔案描述符空間，這裡相同數字的檔案描述符可能會對應到不同的檔案。

fork 系統呼叫

• fork 可以建立新的程序，該程序（子程序）與原程序（父程序）的指令、資料、堆疊、檔案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）

  • 在父程序中，返回子程序的 PID
  • 在子程序中，返回 0
  • 如果建立失敗，返回-1

wait 系統呼叫

• wait 表示等待一個子程序退出

  • 如果呼叫者沒有子程序，則 wait 立即返回-1
  • 如果父程序不關注子程序的退出時狀態，可以傳一個 0 地址（或者 NULL 指標）給 wait

  pid = wait((int *)0);   // 只要一個子程序退出，wait 就結束，返回該退出的子程序的 pid 號
  

  • 如果父程序關注子程序的退出時狀態，可以使用如下方式，status將儲存子程序結束時的狀態（子程序退出時exit裡的引數會被儲存到status中）

  int status；
  wait（&status);
  

exit 系統呼叫

• exit 系統呼叫退出程式，並釋放資源。exit 需要一個整數狀態引數，0 表示成功，1 表示失敗

exec 系統呼叫

• exec 系統呼叫使用新記憶體映像來替換記憶體的程序
  • exec 會保留當前的檔案描述符
  • 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;      // 標記了陣列的結尾，也可以用NULL指標
exec("/bin/echo", argv);   // 相當於echo hello
printf("exec error\n");    // exec出錯時返回，否則不會執行到這裡了

• 一般來說 fork 下的子程序中呼叫 exec 函式來替換子程序，但這樣會造成資源浪費，因此核心透過使用虛擬記憶體技術來進行最佳化

pipe 系統呼叫

管道的概念

1. 以檔案描述符對的形式提供給程序，一個表示讀端，一個表示寫端
2. 本質是一個偽檔案，實質為核心緩衝區
3. 管道實際為核心使用環形佇列機制，藉助核心緩衝區（4K）實現

管道的侷限性

1. 必須作用在有血緣關係的程序之間
2. 資料不能程序自己寫，自己讀（需要兩個程序，一個讀，一個寫）
3. 採用半雙工通訊，資料只能單方向流動
4. 資料不能反覆讀取

管道函式

int pipe(int fd[2]) ：建立並開啟管道

• 引數：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);            // 建立並開啟管道
if (fork() == 0)   // 子程序
{ 
    close(0);     // 釋放檔案描述符0（標準輸入）
    dup(p[0]);    // 使得檔案描述符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相當於從管道讀資料（這裡其實不太理解，管道不是關上了嗎）
} 
else             // 父程序
{ 
    close(p[0]);   // 讀寫只能有一個，父程序將讀端關閉
    write(p[1], "hello world\n", 12);  // 向管道寫入資料
    close(p[1]);  // 寫完將管道關閉
}

管道的讀寫行為

1. 讀管道：

• 管道中有資料，read 返回實際讀到的位元組數

• 管道中無資料：

  • 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，程序異常終止（SIGPIPE 訊號導致的）

• 管道讀端沒有全部關閉：

  • 管道已滿，write 阻塞
  • 管道未滿，write 將資料寫入，並返回實際寫入的位元組數

File system

檔案系統

1. xv6 檔案系統包含了資料檔案（擁有位元組陣列）和目錄（擁有對資料檔案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 的檔案或目錄（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 系統呼叫

透過 chdir 系統呼叫可以改變程序的當前目錄，如下兩個 open 開啟了同一個檔案

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

建立檔案和目錄

mkdir 可以建立一個新的目錄，open 使用 O_CREATE 可以建立新的資料檔案，mknod 可以建立一個新的裝置檔案

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

mknod("/console", 1, 1);  // 主裝置號，次裝置號，唯一標識一個核心裝置

當一個程序開啟裝置檔案後，核心會將系統的讀寫呼叫轉移到核心裝置實現上，而不是將它們傳遞給檔案系統

檔案連結

• inode 是作業系統用來儲存除了檔名和實際資料的資料結構，它是用來連線實際資料和檔名的；每個 inode 儲存著檔案的後設資料，包括檔案的型別（檔案 or 目錄 or 裝置）、長度、內容在磁碟的位置以及檔案的連結數量
• fstat 系統呼叫從檔案描述符引用的 inode 中檢索資訊

// int fstat(int fd, struct stat*)，stat為接收inode資訊的結構體，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 系統呼叫建立了一個引用同一個 inode 的檔案

open("a", O_CREATE | O_WRONLY);
link("a", "b");  // 建立檔案b，且a和b指向同一個inode

• unlink 系統呼叫會從檔案系統中刪除一個檔名，只有當檔案連結數為零且沒有檔案描述符引用它時，檔案 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

// 建立臨時檔案的一種慣用方式，它建立一個無名稱的inode，在程序關閉fd或退出時刪除檔案
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列引數；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列引數。

$ echo "hello world" | xargs echo
hello world

上面的程式碼將管道左側的標準輸入，轉為命令列引數 hello world，傳給第二個 echo 命令

$ echo "one two three" | xargs mkdir

上面的程式碼等同於 mkdir one two three。如果不加 xargs 就會報錯，提示 mkdir 缺少操作引數

• 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 傳來的引數