MIT6.S081Lab1： Xv6 and Unix utilities

MIT6.S081 Lab1： Xv6 and Unix utilities

官方文档

一.Boot xv6

如何成功的boot xv6可以看之前的文章MIT6.S081实验环境搭建，只是多一个步骤，在clone的文件夹中执行

git checkout util

切换为util分支即可。

二.sleep

在user/sleep.c中编写程序完成用户可以指定tricks数目休眠的sleep程序。

step1

检查参数，转换参数

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

int main(int argc, char* argv[]) {
  // 检查参数数量
  if (argc != 2) {
    fprintf(2, "输出参数数量错误!\n");
    exit(1);
  }

  // 转换参数数量
  int times = atoi(argv[1]);
  exit(0);
}

step2

调用user中的sleep从而触发系统调用

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

int main(int argc, char* argv[]) {
  // 检查参数数量
  if (argc != 2) {
    fprintf(2, "输出参数数量错误!\n");
    exit(1);
  }

  // 转换参数数量
  int times = atoi(argv[1]);
  sleep(times);
  exit(0);
}

step3

进行xv6中运行sleep可观察到明显的延迟

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

在对应文件夹命令行执行

sudo ./grade-lab-util sleep

可看到

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

编写成功！

三.pingpong

父子进程互相发送一个字节并打印内容输出。

step1

创建两个管道

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

int main() {
  // 用于接收一个字节
  char buf[1];

  // 两个管道，p1用于父写子读，p2用于子写父读
  int p1[2], p2[2];
  pipe(p1);
  pipe(p2);
  exit(0);
}

step2

fork一个子进程

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

int main() {
  // 用于接收一个字节
  char buf[1];

  // 两个管道，p1用于父写子读，p2用于子写父读
  int p1[2], p2[2];
  pipe(p1);
  pipe(p2);

  int pid = fork();

  if (pid > 0) {

  } else if (pid == 0) {

  } else {
    printf(2, "fork error!\n");
  }
  exit(0);
}

step3

互相传递一个字节，注意写完后要及时关闭否则read会一直阻塞。

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

int main() {
  // 用于接收一个字节
  char buf[1];

  // 两个管道，p1用于父写子读，p2用于子写父读
  int p1[2], p2[2];
  pipe(p1);
  pipe(p2);

  int pid = fork();

  if (pid > 0) {
    // 发送字节
    write(p1[1], "1", 1);
    close(p1[1]);
    // 接收字节
    read(p2[0], buf, 1);
    fprintf(1, "%d: received pong\n", getpid());
    exit(0);
  } else if (pid == 0) {
    read(p1[0], buf, 1);
    fprintf(1, "%d: received ping\n", getpid());
    write(p2[1], "1", 1);
    close(p2[1]);
    exit(0);
  } else {
    fprintf(2, "fork error!\n");
    exit(1);
  }
  exit(0);
}

step4

在xv6中运行可看到

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

在对应文件夹命令行中执行

sudo ./grade-lab-util pingpong

可看到

!外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

编写成功！

四.primes

利用fork和pipe组成一个pipeline，并进行2到35的素数筛选。

具体的解决方法可见官方教程。总结来说，就是从左邻居读取的第一个数打印出来作为自己的基数，此后循环从左邻居读取数，判断是否可以被基数整除，如果可以说明不是素数，如果不可以则移交给右邻居。循环这个过程就可以把素数筛选出来。

有两个关键点：1，左右邻居之间怎么通信；2，及时地关闭不需要的文件描述符，否则xv6支持不了这么多文件描述符。

左右邻居之间怎么通信：所谓左右邻居就是父子进程。对于每个素数，我们都要创建一个进程，也就是每个进程（除了最后一个）都要fork一次，在fork前我们要创建管道用于通信，但子进程并不知道管道的文件描述符，所以我们要把管道的读端传给子进程，而子进程又要复刻父进程的行为，很自然就想到要用递归函数，函数的参数就是管道的读端文件描述符。

及时地关闭文件描述符：fork之后父进程用不到读端关闭，子进程用不到写端关闭，子进程用不到父进程本来有的之前的读端关闭

然后注意每个进程只fork一次，如果fork了之后的循环就要判断不fork了。

其实这个最主要的就是利用fork和pipe组成一个pipeline，也就是每个线程要有一个读端一个写端，从父进程那里读，写向子进程，不需要的文件描述符关闭，读端来自于父进程的开辟，写端来自于自己的开辟，然后每个子进程要重复父进程的行为，所以用递归函数，参数传递的读端。

代码如下：

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


// 每个进程都要执行的操作
void ProcessOperate(int listen_fd) {
  // 把第一个读取的数作为基数并打印出来
  int base = -1;
  if (read(listen_fd, &base, 4) == -1) {
    fprintf(2, "%d read listen_fd error!\n", getpid());
    exit(-1);
  }
  fprintf(1, "prime %d\n", base);
  
  int is_fork = 0; // 判断当前线程是否已经fork过

  // 持续读取数据并处理
  int num = -1;
  int pipes[2]; // 用于父子进程通信
  while (read(listen_fd, &num, 4)) {
    if (num % base != 0) {
      if (!is_fork) {
        is_fork = 1;
        if (pipe(pipes) == -1) {
          fprintf(2, "%d process create pipe error!\n", getpid());
          exit(-1);
        }
        int pid = fork();
        if (pid > 0) {
          close(pipes[0]);
        } else if (pid == 0) {
          close(pipes[1]);
          close(listen_fd);
          ProcessOperate(pipes[0]);
        } else {
          fprintf(2, "%d process fork error\n", getpid());
          exit(-1);
        }
      }
      write(pipes[1], &num, 4);
    }
  }
  close(listen_fd);
  close(pipes[1]);
  wait(0);
  exit(0);
}

int main() {
  int pipes[2];
  if (pipe(pipes) == -1) {
    fprintf(2, "main process create pipe error!\n");
    exit(-1);
  }

  // 先把所有数据写到第一个管道里面
  for (int i = 2; i <= 35; ++i) {
    if (write(pipes[1], &i, 4) == -1) {
      fprintf(2, "main process write pipe error!\n");
      exit(-1);
    }
  }

  // 关闭不需要的写端
  close(pipes[1]);

  // 传递读端，从第一个进程开始筛选素数
  ProcessOperate(pipes[0]);

  exit(0);
}

在命令行中运行

sudo ./grade-lab-util primes

可看到

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成功！

五.find

写一个简化版本的UNIX的find程序：查找目录树中具有特定名称的所有文件。

这个程序其实只要看懂了ls程序是怎么写的基本就会写了。

具体的思路就是对我们输入的目录中的文件或目录进行循环遍历，当遍历到文件，就比较文件的名字和我们要找的名字；当遍历到目录，就递归这个过程。其中用到的函数接口在ls中也会用到，所以看懂了ls程序就知道那些接口怎么用了。

有几点需要注意的地方：

• 比较文件的名字和我们要找的名字的时候，我们需要提取简化文件的名字，我们当然可以用ls中的fmtname函数，但是注意fmtname中有一个memset(buf+strlen§, ’ ', DIRSIZ-strlen§); 这个是我们不需要的，因为这个是补空方便输出，我们加上这个名字比较就不对了。
• 每个目录开头的是两个目录".“和”…"，如果不加以排除的话会无限递归，所以要注意
• 对我来说还有一个，exit是让程序直接退出了，在函数里面还是用return（这个错误找了好久，晕）。

代码如下：

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

// 获取名称
char* fmtname(char *path)
{
  static char buf[512];
  char *p;
  // 提取最后一个/跟的名字
  for(p=path+strlen(path); p >= path && *p != '/'; p--)
    ;
  p++;

  memmove(buf, p, strlen(p));
  buf[strlen(p)] = 0;

  return buf;
}


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

  // 打开目录
  if ((fd = open(path, 0)) < 0) {
    fprintf(2, "ls: cannot open %s!\n", path);
    exit(-1);
  }

  // 复制路径
  strcpy(buf, path);
  p = buf + strlen(buf);
  *p++ = '/';

  // 循环判断目录下的文件或目录
  while (read(fd, &de, sizeof(de)) == sizeof(de)) {
    if (de.inum == 0) {
      continue;
    }
    // 排除目录开头的.和..
    if (!strcmp(de.name, ".") || !strcmp(de.name, "..")) {
      continue;
    }
    // 把文件或目录名加到buf后面
    memmove(p, de.name, strlen(de.name));
    p[strlen(de.name)] = 0;
    if (stat(buf, &st) < 0) {
      fprintf(1, "ls: cannot stat %s \n", buf);
      continue;
    }
    switch(st.type) {
      case T_FILE:
        // 如果是文件直接比较
        if (!strcmp(fmtname(buf), name)) {
          fprintf(1, "%s\n", buf);
        }
        break;
      case T_DIR:
        // 目录递归
        find(buf, name);
        break;
    }
  }

  close(fd);
  return;


}

int main(int argc, char* argv[]) {
  // 调用函数进行递归查找
  if (argc < 3) {
    find(".", argv[1]);
    exit(0);
  }
  find(argv[1], argv[2]);
  exit(0);
}

六.xargs

编写一个简化版UNIX的xargs程序：它从标准输入中按行读取，并且为每一行执行一个命令，将行作为参数提供给命令。

说明白点，xargs就是执行命令，命令的参数即来自于自身的参数，也来自于标准输入，为标准输入中每一行都执行这样的命令和自身的参数。

那其实就很简单了，就直接从标准输入中读取数据，然后根据\n来划分行，每找到一行就fork一次让子进程exec来执行它。父进程调整一下指针的位置继续执行。

代码如下：

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

int main(int argc, char* argv[]) {
  if (argc > MAXARG) {
    fprintf(2, "argc > MAXARG\n");
    exit(-1);
  }

  // xargs自身输入的命令及参数
  char* new_argv[MAXARG];
  for (int i = 0; i < argc - 1; ++i) {
    new_argv[i] = argv[i + 1];
  }

  char buf[32];
  char *p = buf;
  // 读取命令行的输入
  read(0, buf, 32);
  int pid;
  for (int i = 0; i < 32; ++i) {
    // 如果检测到换行符说明遇到了新的一行，那么就fork让子进程exec
    if (buf[i] == '\n') {
      pid = fork();
      if (pid == 0) {
        // 设定结尾
        buf[i] = 0;
        // 设定标准输入作为一个参数
        new_argv[argc - 1] = p;
        exec(new_argv[0], new_argv);
        fprintf(2, "exec error\n");
      } else {
        // 更新指针，指向下一行
        p = &buf[i + 1];
        wait(0);
      }
    }
  }

  wait(0);
  exit(0);
}

本来我还有一个版本的，就是用while一个字节一个字节的读，但是死活报错，不知道为什么。感觉应该是对于换行符的判断有问题，所以还是这种直接把所有的标准输入读下来确保会结束的比较保险。

总结

这几个实验因为中间有其他事情，所以时间跨度还是挺长的，不过我觉得MIT6.S081的实验真的很有价值，之前可能用过这些指令，但是不清楚这些指令具体怎么实现的，在实现这些指令的过程我对fork，pipe，exec这些系统调用的使用更加熟练了，之前其实没怎么使用过这些系统调用。

期待下一个实验！