操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（三）---- xv6初探与实验一(Lab: Xv6 and Unix utilities)

系列文章目录

操作系统入门系列-MIT6.S081（操作系统）学习笔记（一）---- 操作系统介绍与接口示例
操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（二）----课程实验环境搭建（wsl2+ubuntu+quem+xv6）
操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（三）---- xv6初探与实验一(Lab: Xv6 and Unix utilities)

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前言

MIT 6.828课程资料与进度计划表
完成第一节课的学习后，按照课程的计划进度表，应当阅读xv6文档的第一章节，以及完成实验1。
本文主要内容就是对xv6文档（2023年版）和实验（2023年版）的讲解
xv6英文文档—2023
xv6中文文档—2013
xv6实验1原文

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一、xv6文档第一章

1. 引论

xv6操作系统提供 Unix 操作系统中的基本接口（由 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 引入），同时模仿 Unix 的内部设计，包括 BSD，Linux，Mac OS X，Solaris （甚至 Microsoft Windows 在某种程度上）都有类似 Unix 的接口，理解 xv6 是理解这些操作系统的一个良好起点。
首先需要对操作系统有一个系统结构的大致概念，如下图：

如图所示，操作系统的核心就是kernel。kernel起到了桥梁的作用，连接各种应用程序和底层硬件资源。从软件编程者的角度来看，程序员就是使用各种kernel提供的系统调用函数，来实现各种各样的功能。xv6的系统调用函数如下图所示：

后面的实验就是需要调用这些系统调用函数来实现相应的功能，比如在Linux里面常用的find、xargs等命令的简易版。
在之前的文章中已经将第一章的部分进行了讲解，详情见：
操作系统入门系列-MIT6.S081（操作系统）学习笔记（一）---- 操作系统介绍与接口示例

二、实验一

1.启动xv6

详见xv6环境的配置和启动
操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（二）----课程实验环境搭建（wsl2+ubuntu+quem+xv6）
（1）实验系统目录：
整个实验代码的文件目录如下，我们需要关注：

1.绿色的”grade-lab-util“可执行文件，它是测试机，用来测试你的实验代码正确性。
2.kernel文件夹，是xv6的kernel代码
3.Makefile是用来编译内核的，需要在这里添加参数，我们写的实验代码才能编译进去
4.user文件夹是我们添加自己实验代码的地方，也就是用户空间	

（2）Makefile添加文件

（3）退出xv6
使用”ctrl+a“，后按x退出
（4）测试机打分
需要在lab目录中添加time.txt文件，里面写一个整数，代表你的实验花了多少小时。

2.实现休眠函数

（1）原题如下：

（2）大致内容为：
调用“系统调用函数——sleep()”（一次sleep()系统暂停一个tick），实现输入数字，系统暂停该数字次数的ticks。
参数错误时，要有错误打印
（3）代码如下：

// 参考echo.c、grep.c、rm.c的头文件引用
#include "kernel/types.h"//声明数据类型
#include "kernel/stat.h"//声明文件数据结构
#include "kernel/fcntl.h"//open函数的模式参数申明
#include "user/user.h"//声明各种系统调用函数、以及有用的库函数


int main(int argc, char *argv[])
{
    int number;

    //参数数量不对，打印错误信息
    //参数还有其他错误情况，此处仅考虑数量问题
    if(argc <= 1)
    {
        fprintf(2, "usage: sleep number\n");
        exit(1);
    }

    number = atoi(argv[1]);//字符串转整数
    sleep(number);//系统调用

    exit(0);
}

（4）结果如下：
使用官方提供的测试机程序，在lab目录下面运行"./grade-lab-util + 文件名"

./grade-lab-util sleep

测试机自主进行测试，如下图：

（5）总结：
在做实验之前我们需要知道有哪些函数我们是可以调用的，可以查看文件：“user/user.h”

struct stat;

// system calls
int fork(void);
int exit(int) __attribute__((noreturn));
int wait(int*);
int pipe(int*);
int write(int, const void*, int);
int read(int, void*, int);
int close(int);
int kill(int);
int exec(const char*, char**);
int open(const char*, int);
int mknod(const char*, short, short);
int unlink(const char*);
int fstat(int fd, struct stat*);
int link(const char*, const char*);
int mkdir(const char*);
int chdir(const char*);
int dup(int);
int getpid(void);
char* sbrk(int);
int sleep(int);
int uptime(void);

// ulib.c
int stat(const char*, struct stat*);
char* strcpy(char*, const char*);
void *memmove(void*, const void*, int);
char* strchr(const char*, char c);
int strcmp(const char*, const char*);
void fprintf(int, const char*, ...);
void printf(const char*, ...);
char* gets(char*, int max);
uint strlen(const char*);
void* memset(void*, int, uint);
void* malloc(uint);
void free(void*);
int atoi(const char*);
int memcmp(const void *, const void *, uint);
void *memcpy(void *, const void *, uint);

3.实现父子进程pingpong打印

（1）原题如下：

（2）大致内容为：
实现过程：父进程向子进程发送ping，子进程打印该信息，后子进程向父进程发送pong，父进程再打印该信息
实现结果为：

（3）代码如下：
分为单管道实现和双管道实现
单管道实现：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/fcntl.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int p[2];
    char buf[512];//用来接收信息的buffer

    pipe(p);//父 <=======> 子

    //子进程执行if，父进程执行else
    if(fork() == 0)
    {
        read(p[0], buf, sizeof(buf));//阻塞，直到父进程写入管道p内容，后读取父进程的信息
        fprintf(1,"%d: received %s\n", getpid(), buf);//打印父进程的信息
        write(p[1], "pong", 5);//使用p的写通道向父进程发送信息
        close(p[0]);//关闭读通道
        close(p[1]);//关闭写通道
        exit(0);//子进程退出
    }
    else
    {
        write(p[1], "ping", 5);//父进程通过p的写通道向子进程发送信息
        wait((int *)0);//等待子进程结束
        read(p[0], buf, sizeof(buf));//读取p管道中子进程的信息
        fprintf(1,"%d: received %s\n", getpid(), buf);//打印子进程的信息
        close(p[0]);//关闭读通道
        close(p[1]);//关闭写通道
    }

    exit(0);
}

双管道实现：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/fcntl.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int p[2];
    int p2[2];
    char buf[512];//用来接收信息的buffer

    //向内核申请两个管道
    pipe(p);//父进程写，子进程读：父 ——————> 子
    pipe(p2);//子进程写，父进程读：子 ——————> 父

    //子进程执行if，父进程执行else
    if(fork() == 0)
    {
        close(p[1]);//关闭p的写通道，以便于父进程写完可以直接读取
        read(p[0], buf, sizeof(buf));//阻塞，直到父进程写入管道p内容，后读取父进程的信息
        fprintf(1,"%d: received %s\n", getpid(), buf);//打印父进程的信息
        close(p[0]);//关闭p的读通道
        write(p2[1], "pong", 5);//使用p2的写通道向父进程发送信息
        close(p2[1]);//写完关闭写通道
        close(p2[0]);//关闭p2的读通道
        exit(0);//子进程退出
    }
    else
    {
        write(p[1], "ping", 5);//父进程通过p的写通道向子进程发送信息
        close(p[1]);//写完关闭写通道
        close(p2[1]);//关闭p2的写通道，以便于子进程写完可以直接读取
        read(p2[0], buf, sizeof(buf));//阻塞，直到子进程写入管道p2内容，读取子进程的信息
        fprintf(1,"%d: received %s\n", getpid(), buf);//打印子进程的信息
        close(p[0]);//关闭p的读通道
        close(p2[0]);//关闭p2的读通道
    }

    exit(0);//结束程序
}

（4）结果如下：

（5）总结：
无

4.使用pipeline实现质数检测

（1）原题如下：

（2）大致内容为：
使用pipeline+多进程来检测35以内的质数检测
这个过程比较难想，但是在纸上推演一下流程就懂了，参考文献如下：Bell Labs and CSP Threads

参考伪代码：

参考图：

（3）代码如下：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/fcntl.h"
#include "user/user.h"


void child(int * p)
{
    int p1[2];
    char num[35];
    int prime;
    int i;
    int ret;
    int number;

    pipe(p1);

    close(p[1]);
    number = 0;
    for(i=0;i<35;i++)
    {
        ret = read(p[0], num+i, 1);
        if(ret == 0)
        {
            break;
        }
        number++;
    }

    if(number == 0)
    {
        exit(0);
    }

    prime = num[0];
    printf("prime %d\n", prime);
    close(p[0]);

    if(fork() == 0)
    {
        child(p1);
    }
    else
    {
        close(p1[0]);
        for(i=1;i<number;i++)
        {
            if((num[i]%prime)!=0)
            {
                write(p1[1], num+i, 1);
            }
        }
        close(p1[1]);
        wait((int *)0);
    }

    exit(0);
}


int main()
{
    int prime = 2;
    int p[2];
    int i;

    pipe(p);

    if(fork() == 0)
    {
        child(p);
    }
    else
    {
        close(p[0]);
        printf("prime %d\n", prime);
        for(i=3;i<=35;i++)
        {
            if((i%prime)!=0)
            {
                write(p[1], &i, 1);
            }
        }
        close(p[1]);
        wait((int *)0);
    }


    exit(0);
}

（4）结果如下：


（5）总结：
核心是算法题，载体是进程树之间使用pipeline进行读写控制

5.实现find函数（文件查找）

（1）原题如下：

（2）大致内容为：
实现目录下搜索文件的功能，要求能够找到该文件夹目录下以及其子目录下的指定文件名，输出所有满足文件的路径。（不要求实现正则表达式）（！！！记得规避".“与”…"子文件）（如何访问文件夹可以参考文件ls.c的实现）

  "  .  "  表示当前目录
  "  ..  "  表示当前目录的上一级目录。
  "  ./  "  表示当前目录下的某个文件或文件夹，视后面跟着的名字而定
  "  ../  "   表示当前目录上一级目录的文件或文件夹，视后面跟着的名字而定。

（3）代码如下：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/fcntl.h"
#include "kernel/fs.h"
#include "user/user.h"

char* fmtname(char *path)
{
  char *p;

  // Find first character after last slash.
  for(p=path+strlen(path); p >= path && *p != '/'; p--)
    ;
  p++;

  return p;
}

int find(char *name, char *p)
{
    int fd;
    int path=0;
    char buf[512];
    struct dirent de;
    struct stat st;

    fd = open(p, O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        fprintf(2, "fd: can not open %s\n");
        exit(1);
    }
    strcpy(buf, p);
    p = buf+strlen(buf);
    *p++ = '/';
    // printf("%d  %s\n", fd, buf);

    while(read(fd, &de, sizeof(de)) == sizeof(de))
    {
        if(de.inum == 0)
        {
            continue;
        }

        memmove(p, de.name, DIRSIZ);
        p[DIRSIZ] = 0;

        // printf("%s\n", p);

        if(stat(buf, &st) < 0)
        {
            printf("ls: cannot stat %s\n", buf);
            continue;
        }

        // printf("%s %s %d\n", buf, fmtname(buf), st.type);
        // printf("%d %d %d\n", strcmp(fmtname(buf), name), strcmp(fmtname(buf), "."), strcmp(".", "."));

        if (st.type == T_FILE && (strcmp(fmtname(buf), name) == 0))
        {
            printf("%s\n", buf);
            path = 1;
        } 

        if (st.type == T_DIR && (strcmp(fmtname(buf), ".") != 0) && (strcmp(fmtname(buf), "..") != 0))
        {
            path = find(name, buf);
        }   
    }

    return path;
}


int main(int argc, char *argv[])
{
    int path;

    if(argc < 3)
    {
        fprintf(2, "fd: find [dir] [filename]\n");
        exit(1);
    }

    path = find(argv[2], argv[1]);
    if(path == 0)
    {
        fprintf(1, "can not find such file\n");
    }

    exit(0);
}

（4）结果如下：

（5）总结：
核心知识点是xv6系统下的文件结构体与文件夹结构体，使用递归方法进行实现。

6.实现xargs函数

（1）原题如下：

（2）大致内容为：
实现xargs命令，xargs命令很难简单理解，建议先查一下命令的用法。
xargs 命令教程
（3）代码如下：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/fcntl.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/param.h"


int getcmd(char *buf, char**arg, int arg_num)
{
    int i;
    int j;
    j = 0;
    arg[arg_num] = (char *)malloc(30 * sizeof(char));


    for(i=0; i<512; i++)
    {
        if((buf[i] == ' ') || (buf[i] == 10) || (buf[i] == '\0') || (buf[i] == '\n'))
        {
            // printf("%c %d\n", buf[i], buf[i]);
            arg_num++;
            if(buf[i] == 10)
            {
                // printf("argmun: %d\n", arg_num);
                return arg_num;
            }
            if(buf[i] == '\0')
            {
                // printf("argmun: %d\n", arg_num);
                return arg_num;
            }
            arg[arg_num] = (char *)malloc(30 * sizeof(char));
            // printf("111\n");
            // printf("%s %p kkk\n", arg[arg_num], arg[arg_num]);
            j = 0;
        }
        else
        {
            // printf("%d %d %c %d\n", j, i, buf[i], arg[arg_num][j]);
            arg[arg_num][j] = buf[i];
            // printf("%d %c \n", j, arg[arg_num][j]);
            j++;
        }
    }

    return arg_num;
}


int main(int argc, char *argv[])
{
    char buf[512];
    int num = 0;
    int ret;
    int cmd = 0;
    char *arg[MAXARG];
    int arg_num;
    arg_num = argc - 1;
    
    int i = 0;
    for(i=0; i<arg_num; i++)
    {
        arg[i] = argv[i+1];
    }

    if(argc < 2)
    {
        fprintf(2, "xarg: xarg [process] [args...]\n");
        exit(1);
    }

    int j = 0;
    while(1)
    {
        ret = read(0, buf+j, 1);
        if(ret != 1)
        {
            break;
        }
        else if(buf[j] == '\n')
        {
            // printf("read number is : %d\n%s\n", num, buf);
            j = 0;
            num = 0;
            cmd = getcmd(buf, arg, arg_num);
            // printf("\n\n%d %d\n", cmd, arg_num);
            // printf("%s\n%s\n%s\n%s\n", arg[0], arg[1], arg[2], arg[3]);
            if(cmd == arg_num)
            {
                printf("%d %d\n", cmd, arg_num);
                printf("no content of stdin\n");
            }
            else
            {
                if(fork() == 0)
                {
                    exec(argv[1], arg);
                    fprintf(2, "exec failed\n");
                    exit(1);
                }
                else
                {
                    wait((int *)0);
                }
            }
        }
        else
        {
            j++;
            num++;
        }
    }
    
    for(i=0; i<cmd; i++)
    {
        free(arg[i]);
    }
    exit(0);
}

（4）结果如下：

（5）总结：
在实现字符串的单词分割的时候，对于指针的操作出现问题。
char **arg的arg[]元素应该动态分配空间，而不是讲temp数组的指针头直接赋值。

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总结

课程每年可能有变化，本文按照最新的2023计划表进行学习