xv6---Lab1: Xv6 and Unix utilities

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参考资料：

1.1进程和内存

1.2 I/O 和文件描述符

1.3管道

源码：

调试环境搭建

sleep

PingPong

primes 

find

xargs

---

参考资料：

Lab: Xv6 and Unix utilities

xv6-book翻译(自用）第一章 - 知乎

1.1进程和内存

• 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
• 可通过fork系统调用，创建一个新的进程。
• exec将加载文件内存的镜像来覆盖调用exec进程的内存。
• shell是通过fork创建一个子进程，然后子进程不停的调用用户输入的命令，然后执行exec执行。

1.2 I/O 和文件描述符

• fd表示一个可被内核管理的对象
• 每个进程有一张表，而xv6内核就是以fd作为表的索引，每个进程都有以0开始的文件描述符空间。
• 按照惯例0是stdin,，1是stdout，2是stderr。 而shell任何时候都会打开3个fd，是console的默认文件描述符。
• fork和exec的分开实现，有利于调用shell在fork之后创建子进程的时候去重定向I/O
• dup复制一个已有的fd，返回指向同一个I/o对象的描述符，比如下面的例子可打印hello world, 在write(fd, "world\n", 6);的时候，依旧保留之前的偏移。

 fd = dup(1);
 write(1, "hello", 6);
 write(fd, "world\n", 6);

1.3管道

• 摘自：https://blog.csdn.net/skyroben/article/details/71513385

（0）通过int pipe(int fd[2])创建管道，fd参数返回两个文件描述符,fd[0]指向管道的读端,fd[1]           指向管道的写端。fd[1]的输出是fd[0]的输入。

（1）父进程创建管道，得到两个⽂件描述符指向管道的两端

（2）父进程fork出子进程，⼦进程也有两个⽂件描述符指向同⼀管道。

（3）父进程关闭fd[0],子进程关闭fd[1]，即⽗进程关闭管道读端,⼦进程关闭管道写端（因为           管道只支持单向通信）。⽗进程可以往管道⾥写,⼦进程可以从管道⾥读,管道是⽤环形           队列实现的,数据从写端流⼊从读端流出,这样就实现了进程间通信。

• 管道是一个小的内核缓冲区，以文件描述符对的形式提供给进程，两个fd一个用于写操作，一个用于读操作。比如下面的例子实现命令wc

int p[2];
char *argv[2];
argv[0] = "wc";
argv[1] = 0;
pipe(p);

if(fork() == 0) {
    close(0);
    dup(p[0]);   将p[0]复制到fd 0上（stdin）
    close(p[0]);
    close(p[1]);  关闭stdin和stdout
    exec("/bin/wc", argv);   2.读取stdin的输入：执行wc 0, 读"hello world\n"得到 1 2 12
} else {
    write(p[1], "hello world\n", 12);  1.往管道的输出端口写入 "hello world\n"字符
    close(p[0]);
    close(p[1]);
}

源码：

git clone git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2020

git checkout util

调试环境搭建

xv6 2020版使用gdb调试debug的方法_Ayka的博客-CSDN博客_gdb调试 xv6

qemu-gdb debug指南之can not access memory解决！ - 知乎

• 调试内核

gdb-multiarch kernel/kernel
（gdb）set architecture riscv:rv64
(gdb)target remote localhost:26000

• 调试某个程序：

gdb-multiarch

(gdb) file user/_xargs
(gdb) b main  设置断点在 user/_xargs的main

(gdb) b 24 设置断点在 user/_xargs的24行
(gdb) c 程序跑起来

(gdb) n 执行下一步不会进入函数

(gdb) s 执行下一步会进入函数

sleep

• 源文档：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2021/labs/util.html
• 修改Makefile:在UPROGS添加$U/_sleep\   && 添加/user/sleep.c文件
• 观察make qemu的过程--->生成可执行程序_sleep

{ #编译sleep.c生成sleep.o }
riscv64-linux-gnu-gcc -c -o user/sleep.o user/sleep.c
{
#riscv64-linux-gnu-ld --help可知用法
#对应makefile的
_%: %.o $(ULIB)
    #通过linker script user/user.ld生成user/_sleep, 依赖xxx.o文件
    $(LD) $(LDFLAGS) -T $U/user.ld -o $@ $^
    $(OBJDUMP) -S $@ > $*.asm
    $(OBJDUMP) -t $@ | sed '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$$/d' > $*.sym
}
riscv64-linux-gnu-ld -z max-page-size=4096 -T user/user.ld -o user/_sleep user/sleep.o user/ulib.o user/usys.o user/printf.o user/umalloc.o
riscv64-linux-gnu-objdump -S user/_sleep > user/sleep.asm
riscv64-linux-gnu-objdump -t user/_sleep | sed '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$/d' > user/sleep.sym
{
  把生成的可执行文件导入文件系统镜像fs.img
  对应makefile的：mkfs/mkfs fs.img README $(UPROGS)
}
mkfs/mkfs fs.img README user/_cat user/_echo user/_forktest user/_grep user/_init user/_kill user/_ln user/_ls user/_mkdir user/_rm user/_sh user/_stressfs user/_usertests user/_grind user/_wc user/_zombie user/_sleep

• 了解sleep系统调用的流程

/user/usys.S文件为sleep函数的实现，调用了/kernel/定义在user/user.h的int sleep(int);
sleep.c中的sleep--->/user/usys.S的调用--->调用/kernel/syscall.c的syscall函数--->调用到/kernel/sysproc.c的sys_sleep函数

• 代码

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
int main(int argc, char *argv[]){
  if(argc != 2){
      fprintf(2, "usage: sleep time\n");
      exit(1);
  } else {
      int time = atoi(argv[1]);
      sleep(time);
      exit(0);
  }
}

• test

a123@ubuntu:~/Public/xv6-labs-2020$ ./grade-lab-util sleep 2
make: 'kernel/kernel' is up to date.
== Test sleep, no arguments == sleep, no arguments: OK (1.9s) 
== Test sleep, returns == sleep, returns: OK (1.6s) 
== Test sleep, makes syscall == sleep, makes syscall: OK (1.2s) 
a123@ubuntu:~/Public/xv6-labs-2020$ 

PingPong

• 要求：

1. 父进程通过pipe发送消息ping给子进程。
2. 子进程收到后：1.打印pid+收到的pipe消息 2.发送pong消息给父进程 。
3. 父进程收到后：打印pid+pipe消息内容
4.  大概执行结果如下：

    $ make qemu
    ...
    init: starting sh
    $ pingpong
    4: received ping
    3: received pong
    $

简单讲下思路，创建两个pipe,在fork, 在另两个管道，一个从父进程指向子进程。一个从子进程指向父进程。在由父进程发出"ping" ,在阻塞的read, 子进程在收到"ping"后，在往管道写入"pong", 父进程收到pong便打印并结束程序。

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

int main()
{
    int fd[2];
    pipe(fd); //fd[1]-->fd[0]
    
    int fd1[2];
    pipe(fd1);
    int ret = fork(); // get child pid
    if (ret == -1) {
        printf("fork error\n");
    } else if(ret == 0){
        int buf[8] = {'\0'};
        close(fd[1]);
        read(fd[0], buf, 5);
        printf("%d: receive %s", getpid(), buf);

        close(fd1[0]);
        write(fd1[1], "pong\n", 5);
        exit(0);   // 必须有，否则会进入usertrap

    } else {
        int buf[8] = {'\0'};
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "ping\n", 5);


        close(fd1[1]);

        read(fd1[0], buf, 5);
        printf("%d: receive %s", getpid(), buf);
        

        exit(0);   // 必须有，否则会进入usertrap
    }
    return 0;
}

​

primes 

• 目标：

Your goal is to use pipe and fork to set up the pipeline. The first process

1.feeds the numbers 2 through 35 into the pipeline.

2.For each prime number,

3. you will arrange to create one process that reads from its left neighbor over a pipe and writes to its right neighbor over another pipe.

Since xv6 has limited number of file descriptors and processes, the first process can stop at 35.

• 简单的说：就是找到2-35的质数，每一个找到的质数通过fork+pipe由父进程传给子进程。然后将所有的质数打印出来
• 就是下面这张图的意思：输入2-11然后以第一个数2作为质数，然后排除非质数4，6，8，10。 在将3作为质数，排除5,7,9,11中的9。 依次这样操作

• 结果如下

    $ make qemu
    ...
    init: starting sh
    $ primes
    prime 2
    prime 3
    prime 5
    prime 7
    prime 11
    prime 13
    prime 17
    prime 19
    prime 23
    prime 29
    prime 31
    $

• 思路：

1. 实现一个函数：输入是数据+个数，输出是除当前质数的剩下的数据。比如：上图的第一个， func(int* val, int count);   // val是2~11的数组头，count是10
2. func的结果可先通过printf打印出来；得到3 5 7 9 11 
3. 把printf变为向子进程写入数据3 5 7 9 11， 子进程读数据。
4. 接下来就是递归调用func函数

• 代码

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

#define READ 0
#define WRITE 1

int func(int* val, int count)
{
    // printf("count=%d ", count);
    // for(int a=0; a < count; a++) {
    //     printf("%d ", val[a]);
    // }
    // printf("\n");

    if (count == 0) {
        printf("over\n");
        exit(0);
    }
    printf("prime %d\n", val[0]);

    int fd[2];
    pipe(fd);

    int ret = fork();
    if (ret == -1) {
        printf("fork error\n");
    } else if (ret == 0) {  // son
        close(fd[WRITE]);
        int tmp=0;
        int buf[64] = {'\0'};
        while (1)
        {
            int a = read(fd[READ], &buf[tmp], 4);
            if (4 == a) {
                // printf("[%d]read[%d]\n", a, buf[tmp]);
                tmp++;
            }
            if (a == 1 && buf[tmp] == '\n') {
                // printf("read finish flag\n");
                break;
            }
        }
        // printf("finish \n");
        close(fd[READ]);

        func(buf, tmp);

        exit(0);   // 必须有，否则会进入usertrap
    } else if (ret > 0) {  // parent
        close(fd[READ]);
        // feeds the numbers 2 through 35 into the pipeline.
        for(int i=0; i < count; i++) //2 3 4 
        {
            if (val[i] % val[0] == 0) //去掉被val[0]整除的数据
            {
                continue;
            } else {
                write(fd[WRITE], &val[i], 4);
                // printf("write=%d\n", j);
            }
        }
        // 结束标志
        char val = '\n';
        write(fd[WRITE], &val, 1);
        close(fd[WRITE]);

        wait(0);  // 等待子进程结束
        exit(0);   // 必须有，否则会进入usertrap
    }
    return 0;
}

int main()
{

    int buf[34];
    for (int i = 0; i < 34; i++)
    {
        buf[i]=i+2;
    }
    func(buf, 34);

    return 0;
}
// #endif

find

• 目标：编写一个简单版本的UNIX查找程序:查找目录树中具有特定名称的所有文件。您的解决方案应该在user/ findc文件中。
• 查看user/ls.c文件--->可知：ls path 命令 ==> open(path) + fstat ==>查看st.type

关于ls的实现，研究了下源码，加了些注释，基本能看懂ls这个函数就可以知道怎么写find这个功能了。

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

  if((fd = open(path, 0)) < 0){
    fprintf(2, "ls: cannot open %s\n", path);
    return;
  }

  if(fstat(fd, &st) < 0){
    fprintf(2, "ls: cannot stat %s\n", path);
    close(fd);
    return;
  }

  switch(st.type){
  case T_FILE: //open的是一个文件，不是目录
    printf("222 %s %d %d %l\n", fmtname(path), st.type, st.ino, st.size);
    break;

  case T_DIR: //open的是一个目录
    if(strlen(path) + 1 + DIRSIZ + 1 > sizeof buf){
      printf("ls: path too long\n");
      break;
    }
    strcpy(buf, path);
    p = buf+strlen(buf);
    *p++ = '/';
    //遍历读出目录下的文件
    while(read(fd, &de, sizeof(de)) == sizeof(de)){
      if(de.inum == 0)
        continue;
      //拷贝文件名
      memmove(p, de.name, DIRSIZ);
      p[DIRSIZ] = 0;
      //得到文件属性
      if(stat(buf, &st) < 0){
        printf("ls: cannot stat %s\n", buf);
        continue;
      }
      printf("333 %s %d %d %d\n", fmtname(buf), st.type, st.ino, st.size);
    }
    break;
  }
  close(fd);
}

• 思路：1.遍历某个目录，和ls.c的实现一样。  2.比较已有的文件名和目标文件名

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

int readDir_findObj(char* path, char* obj)
{
    // printf("path[%s] obj[%s]\n", path, obj);
// (1) .
    int fd = open(path, 0);
// (2) ./
    char stat_buffer[64] = {'0'};
    strcpy(stat_buffer, path);
    char* p = stat_buffer+strlen(stat_buffer);
    *p++ = '/';

    struct dirent de;
    struct stat st;
    while(read(fd, &de, sizeof(de)) == sizeof(de)){
        if(de.inum == 0)
            continue;
        // (3) ./test
        memmove(p, de.name, DIRSIZ);
        stat(stat_buffer, &st);
        switch (st.type)
        {
            case T_DIR: //目录
                {
                    //不处理.和..目录
                    if(!strcmp(de.name, ".") ||!strcmp(de.name, "..")) {
                        continue;
                    }
                    // printf("dir %d %d %d [%s]\n", st.type, st.ino, st.size, de.name);

                    char pathtmp[64] = {'\0'};
                    strcpy(pathtmp, stat_buffer);
                    memmove(pathtmp+strlen(path), "/", 1);
                    memmove(pathtmp+strlen(path)+1, de.name, strlen(de.name));

                    readDir_findObj(pathtmp, obj);
                }
                break;
            case T_FILE: //文件
                // printf("file %d %d %d[%s]\n", st.type, st.ino, st.size, de.name);
                // find obj file
                if (!strcmp(de.name, obj)) {
                    printf("file [%s] find at [%s]\n", de.name, path);
                }
                break;
            default:
                break;
        }

    }
    close(fd);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc < 2){
        printf("please input arg\n");
        exit(0);
    }
    char* objname = argv[1];
// find objname 在当前目录下
    readDir_findObj(".", objname);
    exit(0);
    return 0;
}

xargs

• todo