Mit6.828/6.S081 fall 2019的Lab1是Unix utilities，主要內容為利用xv6的系統呼叫實現sleep、pingpong、primes、find和xargs等工具。本文對各程式的實現思路及xv6的系統呼叫流程進行詳細介紹。
前言
在實驗之前，推薦閱讀一下官網LEC1中提供的資料。其中Introduction是對該課程的的概述，examples則是幾個系統程式設計的樣例，這兩部分快速瀏覽一遍即可。對於xv6 book的第一章，則建議稍微細緻地閱讀一遍，特別是對fork()、exec()、pipe()、dup()這幾個系統呼叫的介紹，會在後面實驗中用到。
實驗環境搭建參考上一篇文章。進入xv6-riscv-fall19專案後可以看到兩個比較重要的目錄：kernel為xv6核心原始碼，裡面除了os工作的核心程式碼（如程式排程），還有向外提供的介面（system call）；user中則是使用者程式，如我們熟悉的ls，echo命令等。本次實驗的目的就是在user中增加使用者程式，藉助kernel中提供的system call來實現所需的功能。
實驗思路
每一個Lab需要在對應的分支編寫程式碼，進入xv6-riscv-fall19目錄下，使用git checkout util切換到util分支，即可開始編寫我們的程式。下面主要提供實現思路，具體實驗程式碼請參考Github。
實驗完成後使用make grade可以執行單元測試進行評分，會以gdb-server模式啟動qemu，並在gradelib.py中模擬gdb-client對我們的程式進行測試。如果在make grade時報錯Timeout! Failed to connect to QEMU，可以將gradelib.py的325行改為self.sock.connect(("127.0.0.1", port))。
sleep
sleep功能為使程式睡眠若干個時鐘週期（xv6中一個tick為100ms），首先建立user/sleep.c原始檔，引入user.h標頭檔案，系統呼叫和工具函式都定義在該檔案裡。核心程式碼如下：
sleep(atoi(argv[1]));
完成編寫後，在Makefile的UPROGS中追加一行$U/_sleep\。輸入make qemu進行編譯，成功後進入shell，輸入sleep 10，如果程式睡眠了大約1s，則表示程式編寫正確。
pingpong
功能是父程式通過管道向子程式傳送1位元組，子程式收到後向父程式回覆1位元組。
由於管道是單向流動的，所以兩次呼叫pipe()建立兩個管道，分別對應兩個方向。使用fork()建立子程式，在子程式中先從管道1read()再向管道2write()，父程式中則與之相反。
primes
primes的功能是輸出2~35之間的素數，實現方式是遞迴fork程式並使用管道連結，形成一條pipeline來對素數進行過濾。
每個程式收到的第一個數p一定是素數，後續的數如果能被p整除則之間丟棄，如果不能則輸出到下一個程式，詳細介紹可參考文件。虛擬碼如下：
void primes() {
p = read from left // 從左邊接收到的第一個數一定是素數
if (fork() == 0):
primes() // 子程式，進入遞迴
else:
loop:
n = read from left // 父程式，迴圈接收左邊的輸入
if (p % n != 0):
write n to right // 不能被p整除則向右輸出
}
還需要注意兩點：
-
檔案描述符溢位： xv6限制fd的範圍為0~15，而每次pipe()都會建立兩個新的fd，如果不及時關閉不需要的fd，會導致檔案描述符資源用盡。這裡使用重定向到標準I/O的方式來避免生成新的fd，首先close()關閉標準I/O的fd，然後使用dup()複製所需的管道fd（會自動複製到序號最小的fd，即關閉的標準I/O），隨後對pipe兩側fd進行關閉（此時只會移除描述符，不會關閉實際的file物件）。
-
pipeline關閉： 在完成素數輸出後，需要依次退出pipeline上的所有程式。在退出父程式前關閉其標準輸入fd，此時read()將讀取到eof（值為0），此時同樣關閉子程式的標準輸入fd，退出程式，這樣程式鏈上的所有程式就可以退出。
find
find功能是在目錄中匹配檔名，實現思路是遞迴搜尋整個目錄樹。
使用open()開啟當前fd，用fstat()判斷fd的type，如果是檔案，則與要找的檔名進行匹配；如果是目錄，則迴圈read()到dirent結構，得到其子檔案/目錄名，拼接得到當前路徑後進入遞迴呼叫。注意對於子目錄中的.和..不要進行遞迴。
xargs
xargs的功能是將標準輸入轉為程式的命令列引數。可配合管道使用，讓原本無法接收標準輸入的命令可以使用標準輸入作為引數。
根據lab中的使用例子可以看出，xv6的xargs每次回車都會執行一次命令並輸出結果，直到ctrl+d時結束；而linux中的實現則是一直接收輸入，收到ctrl+d時才執行命令並輸出結果。
思路是使用兩層迴圈讀取標準輸入：
- 內層迴圈依次讀取每一個字元，根據空格進行引數分割，將引數字串存入二維陣列中，當讀取到'\n'時，退出當前迴圈；當接收到ctrl+d（read返回的長度<0）時退出程式。
- 外層迴圈對每一行輸入
fork()出子程式，呼叫exec()執行命令。注意exec接收的二維引數陣列argv，第一個引數argv[0]必須是該命令本身，最後一個引數argv[size-1]必須為0，否則將執行失敗。
xv6系統呼叫流程
Lab中對system call的使用很簡單，看起來和普通函式呼叫並沒有什麼區別，但實際上的呼叫流程是較為複雜的。我們很容易產生一些疑問：系統呼叫的整個生命週期具體是什麼樣的？使用者程式和核心程式之間是如何切換上下文的？系統呼叫的函式名、引數和返回值是如何在使用者程式和核心程式之間傳遞的？
1.使用者態呼叫
在使用者空間，所有system call的函式宣告寫在user.h中，呼叫後會進入usys.S執行彙編指令：將對應的系統呼叫號（system call number）置於暫存器a7中，並執行ecall指令進行系統呼叫，其中函式引數存在a0~a5這6個暫存器中。ecall指令將觸發軟中斷，cpu會暫停對使用者程式的執行，轉而執行核心的中斷處理邏輯，陷入（trap）核心態。
2.上下文切換
中斷處理在kernel/trampoline.S中，首先進行上下文的切換，將user程式在暫存器中的資料save到記憶體中（保護現場），並restore（恢復）kernel的暫存器資料。核心中會維護一個程式陣列（最多容納64個程式），儲存每個程式的狀態資訊，proc結構體定義在proc.h，這也是xv6對PCB（Process Control Block）的實現。使用者程式的暫存器資料將被暫時儲存到proc->trapframe結構中。
3.核心態執行
完成程式切換後，呼叫trap.c/usertrap()，接著進入syscall.c/syscall()，在該方法中根據system call number拿到陣列中的函式指標，執行系統呼叫函式。函式引數從使用者程式的trapframe結構中獲取(a0~a5)，函式執行的結果則儲存於trapframe的a0欄位中。完成呼叫後同樣需要程式切換，先save核心暫存器到trapframe->kernel_*，再將trapframe中暫存的user程式資料restore到暫存器，重新回到使用者空間，cpu從中斷處繼續執行，從暫存器a0中拿到函式返回值。
至此，系統呼叫完成，共經歷了兩次程式上下文切換：使用者程式 -> 核心程式 -> 使用者程式，同時伴隨著兩次CPU工作狀態的切換：使用者態 -> 核心態 -> 使用者態。