L1：操作系统概论

lab通关记录

MIT-6.828实验通关记录

操作系统概论

总览

• 目标

  • 操作系统设计与实现
  • 手把手建立小os

• os的功能

  • 运行程序
  • 抽象硬件
  • 多个应用程序之间多路复用硬件
  • 抽象应用程序来包容bug？
  • 允许程序之间共享信息
  • 高性能

• os设计

  • 小：管理图书馆那样管理
  • 大：硬件抽象

• 组织：结构图

  • CPU，内存，硬盘，C程序的内核，用户程序：vi，gcc，c
  • 关心系统接口和内核结构

• os内核典型的能提供哪些服务？

  • 进程
  • 内存分配
  • 文件内容
  • 目录，文件名
  • 安全性
  • 其他：用户，IPC，网络，时间，中断

• os抽象？

  • 应用程序只能通过system call来使用os

  • 例如：UNIX：

    fd = open("out", 1);
    write(fd, "hello\n",6);
    pid = fork();

• 为什么os设计或实现会难/有趣？

  • 环境不友好：快速h/w，难debug
  • 底层，高效，逐步抽象
  • 强大且简单
  • 功能抽象
  • 行为互动：CPU级别vs内存分配
  • 开放式问题：安全性，性能

• 你会。。算了不写了

课程结构

• https://pdos.csail.mit.edu/6.828
• 课程
  • os知识
  • 传统os：xv6的细节
  • xv6的编程作业
  • 一些最近（当然现在不是了）的论文
• 实验：JOS，一个小的os
  • 5+lab的构建
  • 内核接口：接触硬件，保护硬件（通过抽象）
  • 用户级别的同权限的lib：fork. exec, pipe等
  • 构建环境：gcc，qemu（模拟硬件的虚拟机）
  • lab1可以直接开始思考了
• 2个考试：随便吧

system calls 的介绍

• 6.828主要就是完成这部分，你应该知道如何使用这些接口（在UNIX系的系统下）

• 注意：对于命令不理解或者没有这个命令，使用man 和你的翻译来确定和进一步了解！

• 例子：ls

  • 跟踪你的ls命令执行（这两种系统我都只要ls一个命令就行了）
    • OSX: sudo dtruss /bin/ls
    • Linux: strace /bin/ls
  • 有很多这样的system calls（系统调用）

• 例子：cat//只要明白功能，会使用cat就行了

  cat copy.c//前提是这个文件已经存在
  cc -o copy copy.c//编译
  ./copy//使用
  
  //copy.c的功能：读取一行，写一行
  //note：用C写

  • R/W第一个参数是fd（文件描述符），是调用open的返回值，告诉内核打开的文件的位置,0代表了“标准输入”，1代表“标准输出”，当然你

  • sudo dtruss ./copy

    //结果举例：
    read(0x0, "123\n\0", 0x80) =40
    write(0x1, "123\n@\213\002\0", 0x4) =40

• 创建文件//同样的cat使用即可

  cat open.c
  cc -o open open.c
  ./open
  cat output.txt
  //note:creat()调用open()
  //note:这些代码忽略错误，一般不要这么写

• 更有趣的程序：shell（就是你的terminal ）

  • 通过它你才能使用命令，和内核交互，进行系统调用

  • 一些例子//查或者实践，得到这些命令的意义

    ls
    ls >junk
    ls |wc -l
    ls |wc -l >junk

  • shell里面的命令很多功能也很强大，你可以当作一门新的语言来稍作学习

  • 同时，通过这些命令，你也能写一个脚本来在shell上执行

    cat > script
    	echo one
    	echo two//按ctrl+c退出
    sh < script//使用该脚本
    //哈哈我第一次把最后一行命令也输了进去，然后无限循环

  • 以上的命令使用了ls, cat, pipe, wc这些常用的命令，了解他们的功能和配合

• 让我们看看一个简单的sh.c执行过程：明白fork,wait,execv,pipe功能和配合即可

  • main()

    首先编译为一棵树，然后执行main进程：getcmd, fork, wait
    执行子进程:parsecmd, runcmd
    
    为什么fork（）来产生子进程？
    这是一种组织方式，以后就知道了
    
    fork()功能？
    1.复制：
    		复制用户的内存
    		分组值内核状态，fd 
    	因此子进程几乎和父进程相同：如果不了解进程，你可以先思考：进程即“进行的程序”,一个进程在机器上需要哪些东西才能称之为进程？然后在后续的学习中验证你的想法
    2.子进程pid不同于父进程，fork（）函数返回子pid，而子进程pid我们让它返回0，这样进程使用时候来区分
    3.紧接着运行，然后根据系统的调度（你可以认为随机，因为你管不着）两个进程的切换
    
    wait（）是什么？
    父进程fork（）后会wait（），等待子进程结束后得到一些信息，给一个实例：
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
     
    int main(void)
    {
    	pid_t p1 = -1;
    	pid_t ret = -1;
    	int status = 0;
    	
    	p1 = fork();	
    	
    	if(p1 == 0)
    	{
    		//这里一定是子进程
    		printf("子进程，pid = %d.\n", getpid());
    	}
        else if(p1 > 0)
    	{
    		//这里一定是父进程
    		printf("parent.\n");
    		ret = wait(&status);
    		
    		printf("子进程已经被回收，子进程pid = %d.\n", ret);
    		printf("子进程是否被正常回收: %d.\n", WIFEXITED(status));
    	}
     
    	else 
    	{
    		//这里一定是fork出错了
    		perror("fork");
    		return -1;
    	} 
    	
    	return 0;
    }
    
    如果子进程在父进程call wait（）之前结束了怎么办？
    你猜

  • runcmd（）:就是跟你shell有关的调用

    • 是一种简单的，重定向，管道概念的cmd类型
    • 通过parsecmd（）执行转换树
    • 调用execvp(cmd, args)
    • 即从内存加载可执行文件到进程里
    • 跳回main程序//只有出错才有返回值
    • 此时：子进程对execvp没有感知，父进程仍然等待子进程

  • runcmd如何处理IO重定向？例如：

    echo hello > junk

    • 为什么重定向？子进程的缘故

    • 哪里重定向？shell中的子进程

    • 改什么？由于不同进程的不同fd表，所以改fd：从0改为1

    • 是Parsecmd()的作用：从两个节点开始产生树

      cmd->type='>', cmd->file="junk", cmd->cmd=...
            cmd->type=' ', cmd->argv=["echo", "hello"]

    • open()，dup2()产生了fd=1（子进程）

  • 为什么fork要和exec区分？

    • 想想fork干了什么，exec干了什么，你就知道两个干的不是一件事

  • 如何实现pipe？

    ls |wc -l

  • 内核提供pipe抽象在fd表（告诉你pipe的一些实现）

    fd[2]:一个写fd，一个读fd
    还有一个buffer

  • 具体例子：pipe1.c：直到数据可用时读，直到buffer满时写

  • 因此，pipe的功能：进程之间通过fork保存了fd来成功通信

  • 对于
    ls |wc -l，shell做的事
        - 创建管道
        - fork
        - 设置fd为1来保证写
        - 执行ls：写入buffer
        - 设置fd为0来保证读
        - 执行wc：读buffer
        - 等待
    ps：写动作会在末尾加一个EOF代表结束
    

  • 不用担心，这些东西告诉你抽象的过程，后续的具体实现都会涉及

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