【6S.081】学习笔记01：初识xv6以及配置xv6环境

【6S.081】学习笔记01：初识xv6以及配置xv6环境

由于6S.081本身就是操作系统类课程，故在学习操作系统的过程中，融合了该门课程的学习。所以在操作系统篇中直接涉猎，这里不再做笔记，仅仅针对xv6的文档、lab以及代码实现进行笔记记录。

注：内容分为文档阅读笔记和实验笔记。

文档阅读笔记1：第一章 操作系统接口

1.讲解操作系统的构建理念

操作系统的工作是

(1)将计算机的资源在多个程序间共享，并且给程序提供一系列比硬件本身更有用的服务。

(2)管理并抽象底层硬件，举例来说，一个文字处理软件（比如 word）不用去关心自己使用的是何种硬盘。

(3)多路复用硬件，使得多个程序可以(至少看起来是)同时运行的。

(4)最后，给程序间提供一种受控的交互方式，使得程序之间可以共享数据、共同工作。

2.介绍xv6

• xv6提供Unix操作系统中的基本接口，同时模仿其内部设计
• 使用了传统的Kernel（内核）概念，一个向其他运行中程序提供服务的特殊程序
• xv6内核提供了Unix传统系统调用的一部分，即以下部分，注意，请务必熟记，以后会经常用到：

系统调用	描述
fork()	创建进程
exit()	结束当前进程
wait()	等待子进程结束
kill(pid)	结束 pid 所指进程
getpid()	获得当前进程 pid
sleep(n)	睡眠 n 秒
exec(filename, *argv)	加载并执行一个文件
sbrk(n)	为进程内存空间增加 n 字节
open(filename, flags)	打开文件，flags 指定读/写模式
read(fd, buf, n)	从文件中读 n 个字节到 buf
write(fd, buf, n)	从 buf 中写 n 个字节到文件
close(fd)	关闭打开的 fd
dup(fd)	复制 fd
pipe( p)	创建管道， 并把读和写的 fd 返回到p
chdir(dirname)	改变当前目录
mkdir(dirname)	创建新的目录
mknod(name, major, minor)	创建设备文件
fstat(fd)	返回文件信息
link(f1, f2)	给 f1 创建一个新名字(f2)
unlink(filename)	删除文件

• xv6适用shell，本质上是一个Unix Bourne shell 的简单实现。介绍shell概念：shell是一个普通的用户界面，接受用户输入的命令并且执行它们。它不是内核的一部分，充分说明了系统调用接口的强大。

3.xv6的进程

一个xv6进程由两部分组成，一部分是用户内存空间（指令，数据，栈），另一部分是仅对内核可见的进程状态。

xv6具有分时特性：可以在可用CPU之间不断切换，决定哪一个等待中进程被执行；不被执行的那个进程的CPU寄存器将会被xv6保存，当要被执行时恢复这些寄存器的值。

内核将每个进程与一个**pid（进程标识符）**关联起来。

在了解父子进程前，先了解几个函数的概念：

fork：创建进程

wait：等待进程结束

exec：读取内存镜像，执行可执行文件

exit：退出进程

父进程与子进程：

• 在某个进程（被称为父进程）中使用fork创建的新进程被称为子进程。

• fork函数在父进程中返回子进程的pid，在子进程中返回0.

• int pid;
  pid = fork();
  if(pid > 0){//如果pid大于0，则是父进程返回了子进程的pid
      printf("parent: child=%d\n", pid);
      pid = wait();
      printf("child %d is done\n", pid);
  } else if(pid == 0){//如果pid等于0，则是子进程返回了0
      printf("child: exiting\n");
      exit();
  } else {//否则出错
      printf("fork error\n");
  }
  

• 父进程与子进程拥有不同的内存空间和寄存器，改变一个进程中的变量不会影响另一个进程。

xv6通常隐式地分配用户内存空间。fork 在子进程需要装入父进程的内存拷贝时分配空间，exec 在需要装入可执行文件时分配空间。一个进程在需要额外内存时可以通过调用 sbrk(n) 来增加 n 字节的数据内存。 sbrk 返回新的内存的地址。

4.I/O与内存描述符

如果我们要了解xv6系统的核心要领，那么I/O接口和文件描述符是不得不去理解的。

文件描述符

我们首先来看文件描述符，它是一个小整数(small integer)，它表示进程可以读取或写入的由内核管理的对象。

我们在xv6的源代码中可以找到以下数据：

这些都是与文件描述符有关的代码。

文件描述符是一个由内核管理的非负整数，本质是进程访问I/O资源的句柄 。

进程通过文件描述符操作文件、管道、设备等资；而内核通过文件描述符表为每个进程维护独立的I/O上下文。

文件描述符标准约定：

• 0：stdin——标准输入
• 1：stdout——标准输出
• 2：stderr——标准错误

以上规定在user/sh.c中可以找到

read、write、open、close

read(fd，buf，n)：

解释：第一个参数fd是文件描述符，第二个参数buf是要复制到的位置，第三个参数n是fd最多可以读取多少字节。

作用：从当前偏移量读取数据，读取完成后偏移量增加n字节，返回读取的字节数

write(fd，buf，n)：

解释：将buf中的n字节写入文件描述符，并返回写入的字节数。

作用：返回实际写入的字节数（仅错误时小于n）

open("input.txt", O_RDONLY：

解释：以某种方式打开文件，如下：

宏定义	功能说明
O_RDONLY	只读
O_WRONLY	只写
O_RDWR	可读可写
O_CREATE	如果文件不存在则创建文件
O_TRUNC	将文件截断为零长度

close(int fd)：

解释：关闭文件描述符，使其可以被未来使用的open、pipe或dup系统调用重用。

I/O重定向的实现机制

xv6通过fork与exec的分离设计实现灵活的重定向：

在这两个调用之间，shell有机会对子进程进行I/O重定向，而不会干扰主shell的I/O设置。

文件偏移量的共享与独立性

dup：

dup 的核心是通过复制文件描述符，实现资源的共享和重定向

dup系统调用复制一个现有的文件描述符，返回一个引用自同一个底层I/O对象的新文件描述符。两个文件描述符共享一个偏移量，就像fork复制的文件描述符一样。

如果两个文件描述符是通过一系列fork和dup调用从同一个原始文件描述符派生出来的，那么它们共享一个偏移量。否则，文件描述符不会共享偏移量，即使它们来自于对同一文件的打开调用。

文件描述符与内核的关系

• 权限隔离：用户态进程通过系统调用（如open、read）访问内核管理的文件对象，内核在管理模式（Supervisor Mode）验证权限并执行特权操作（如修改偏移量）

• 资源抽象：文件描述符背后可能对应磁盘文件（通过文件系统层）、管道（通过日志层）或设备（如控制台驱动），但用户进程无需感知底层差异

5.管道

管道定义

我们看管道（pipes）的定义：

管道是作为一对文件描述符公开给进程的小型内核缓冲区，一个用于读取，一个用于写入。将数据写入管道的一端使得这些数据可以从管道的另一端读取。管道为进程提供了一种通信方式。

仔细看这句话：将数据写入管道的一端使得这些数据可以从管道的另一端读取。

嗯，管道跟队列很像。

我们来看一个程序，来分析它的功能：

int p[2];
char *argv[2];
argv[0] = "wc";
argv[1] = 0;
pipe(p);
if (fork() == 0) {
    close(0);
    dup(p[0]);
    close(p[0]);
    close(p[1]);
    exec("/bin/wc", argv);
} else {
    close(p[0]);
    write(p[1], "hello world\n", 12);
    close(p[1]);
}

1. 创建管道：

   pipe(p) 创建一个管道，并将两个文件描述符存储在数组 p 中。p[0] 是管道的读端，p[1] 是管道的写端。

   int p[2];
   pipe(p);
   

2. 设置 argv：

   char *argv[2];
   argv[0] = "wc";
   argv[1] = 0;
   

   设置 argv 数组，用于传递给 exec 函数。

3. 创建子进程：

   fork() 创建一个子进程。如果 fork() 返回 0，则表示当前是子进程。

4. 子进程的操作：

   close(0);
   dup(p[0]);
   close(p[0]);
   close(p[1]);
   exec("/bin/wc", argv);
   

   • close(0); 关闭标准输入（文件描述符 0）。
   • dup(p[0]); 将管道的读端复制到文件描述符 0（标准输入）。
   • close(p[0]); 关闭管道的读端。
   • close(p[1]); 关闭管道的写端。
   • exec("/bin/wc", argv); 使用 exec 执行 [wc](vscode-file://vscode-app/d:/Microsoft VS Code/resources/app/out/vs/code/electron-sandbox/workbench/workbench.html) 程序，wc 程序将从标准输入读取数据。

5. 父进程的操作：

   close(p[0]);
   
   write(p[1], "hello world\n", 12);
   
   close(p[1]);
   

   • close(p[0]); 关闭管道的读端。
   • write(p[1], "hello world\n", 12); 向管道的写端写入数据 "hello world\n"。
   • close(p[1]); 关闭管道的写端。

管道（pipe）的作用和特点

作用：

• 管道用于在父子进程之间传递数据。它提供了一种简单的进程间通信（IPC）机制。

特点：

1. 单向通信：
   • 管道是单向的，即数据只能从写端流向读端。如果需要双向通信，需要创建两个管道。
2. 文件描述符：
   • 管道使用文件描述符来标识其读端和写端。pipe(p) 创建的管道会返回两个文件描述符，p[0] 是读端，p[1] 是写端。
3. 阻塞行为：
   • 如果管道的读端没有被打开，写操作会导致进程阻塞，直到有进程打开读端。
   • 如果管道的写端没有被打开，读操作会导致进程阻塞，直到有进程打开写端。
4. 自动同步：
   • 管道提供了自动同步机制，确保数据按顺序传递。
5. 有限缓冲区：
   • 管道有一个有限的缓冲区。如果缓冲区满了，写操作会阻塞，直到有数据被读取。

通过上述代码示例，可以看到管道在父子进程间传递数据的作用。父进程通过管道写入数据，子进程从管道读取数据，并将其作为标准输入传递给 wc 程序，从而实现了进程间的数据传递和通信。

另外，实际上我们看到管道不过是一种传输形式，但是它相比临时文件又有些什么优势呢？

• 首先，管道会自动清理自己；在文件重定向时，shell使用完/tmp/xyz后必须小心删除
• 其次，管道可以任意传递长的数据流，而文件重定向需要磁盘上足够的空闲空间来存储所有的数据。
• 第三，管道允许并行执行管道阶段，而文件方法要求第一个程序在第二个程序启动之前完成。
• 第四，如果实现进程间通讯，管道的阻塞式读写比文件的非阻塞语义更高效。

6.文件系统

xv6中，有一个完备且齐全的文件系统，也包含很多与文件有关的操作。

Xv6 文件系统管理 数据文件（存储字节数据）和 目录（存储文件/目录引用），形成 树形结构，从 /（根目录）开始。

路径解析方式如下：

• 绝对路径（如 /a/b/c）：从根目录开始
• 相对路径（如 b/c）：基于进程的 当前工作目录，可用 chdir() 更改

1. 重要的文件和目录操作

操作	说明
mkdir("/dir")	创建新目录
`open("/dir/file", O_CREATE)	创建新文件
mknod("/console", 1, 1)	创建设备文件，指定主设备号和次设备号
chdir("/a"); chdir("b")	改变当前目录到 /a/b
open("c", O_RDONLY)	访问 c（基于当前目录）
open("/a/b/c", O_RDONLY)	直接访问 /a/b/c

2.Inode 与文件元数据

• 文件名和文件本身是分离的，文件的核心是 inode（索引结点）

• Inode 结构体

  struct stat（在stat.h中）包含：

  • dev：所属磁盘设备
  • ino：inode 编号（唯一标识文件）
  • type：文件类型（目录/文件/设备）
  • nlink：硬链接数
  • size：文件大小

3.link与unlink

硬链接（link）

• link("a", "b") 让 b 也指向 a 的 inode
• fstat() 结果显示相同的 ino，nlink 计数增加
• 读取 a 或 b 等效

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删除文件（unlink）

• unlink("a") 仅删除 a 这个名字，文件本体不变（如果 nlink > 0）
• 只有 nlink=0 且 没有进程打开文件时，inode 才释放
• unlink("/tmp/xyz") 可创建 无名称临时文件，在进程关闭 fd 或退出时自动清理

7.总结

xv6的主要目标是简单明了，同时提供一个简单的类unix系统调用接口。

文件系统和文件描述符是强大的抽象，然而，正是这样的抽象，使得文件描述符与文件、管道、shell语法等结合使用才造就了xv6甚至Unix。

本书研究了xv6如何实现其类Unix接口，但这些思想和概念不仅仅适用于Unix。任何操作系统都必须在底层硬件上复用进程，彼此隔离进程，并提供受控制的进程间通讯机制。在学习了xv6之后，你应该去看看更复杂的操作系统，以及这些系统中与xv6相同的底层基本概念。

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以上部分就是关于xv6文档的第一章的阅读。接下来是对于lab的分析。

请跳转：【6S081】Lab1详解：Xv6 and Unix utilities- 掘金