6.1810: Operating System Engineering ＜LEC 1＞
课程链接：6.1810 / Fall 2023
一、本节任务
实验环境：
二、introduction and examples
2.1 open(), read(), write(), close(), dup()
使用 open 打开或创建文件，得到文件描述符 fd，再对 fd 进行 read 或者 write 操作。每个进程都默认打开三个文件描述符：0（standard input），1（standard output），2（standard error），所以当我们想把输入内容复制到输出，可以有如下程序：
// ex1.c: copy input to output.
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
int
main()
{
char buf[64];
while(1){
int n = read(0, buf, sizeof(buf));
if(n <= 0)
break;
write(1, buf, n);
}
exit(0);
}或者使用 open 打开一个文件，向文件内写数据：
// ex2.c: create a file, write to it.
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fcntl.h"
int
main()
{
int fd = open("out", O_WRONLY | O_CREATE | O_TRUNC);
printf("open returned fd %d\n", fd);
write(fd, "ooo\n", 4);
exit(0);
}close() 系统调用会关闭对应的文件描述符，而 dup() 会复制一个文件描述符，被复制的文件描述符和原来的描述符指向相同的文件。
2.2 fork(), exec()
使用 fork() 函数可以创建一个子进程，子进程相当于父进程的副本，包括指令和数据。fork 在子进程和父进程中都会返回。在子进程中，fork 返回子进程的 PID。在父进程中，fork 返回 0。如下：
// ex3.c: create a new process with fork()
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
int
main()
{
int pid;
pid = fork();
printf("fork() returned %d\n", pid);
if(pid == 0){
printf("child\n");
} else {
printf("parent\n");
}
exit(0);
}exec() 使用一个可执行文件替代当前进程，相当于让子进程去执行可执行文件的内容，一般 fork() 和 exec() 是一起使用的：
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
// ex5.c: fork then exec
int
main()
{
int pid, status;
pid = fork();
if(pid == 0){
char *argv[] = { "echo", "THIS", "IS", "ECHO", 0 };
exec("echo", argv);
printf("exec failed!\n");
exit(1);
} else {
printf("parent waiting\n");
wait(&status);
printf("the child exited with status %d\n", status);
}
exit(0);
}exec 会替换调用进程的内存，但将保留其文件打开表，从而使得调用 exec 来运行新程序可以实现I/O重定向：
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fcntl.h"
// ex6.c: run a command with output redirected
int
main()
{
int pid;
pid = fork();
if(pid == 0){
close(1);
open("out", O_WRONLY | O_CREATE | O_TRUNC);
char *argv[] = { "echo", "this", "is", "redirected", "echo", 0 };
exec("echo", argv);
printf("exec failed!\n");
exit(1);
} else {
wait((int *) 0);
}
exit(0);
}这里先关掉了标准输出描述符 1，然后使用 open 打开 out 文件，因为 open 会选择最小的可使用的文件描述符，所以文件 out 对应的文件描述符为 1，再使用 exec 执行 echo程序，echo 程序就会把写到到标准输出上的内容写到文件 out 里。
2.3 pipe()
管道 pipe 是作为一对文件描述符公开给进程的一个小的内核缓冲区，一个用于读取，另一个用于写入（其实就是两个文件描述符指向同一个缓冲区，一个用来读，一个用来写）。将数据写入管道的一端，使该数据可以从管道的另一端读取。管道为流程提供了一种通信的方式。
使用 pipe() 系统调用初始化一个管道，两个文件描述符放到数组里面，第一个文件描述符用于读，第二个用于写。使用管道可以让父进程和子进程通信，因为 fork 复制父进程的文件描述符表及其内存，所以子进程与父进程的打开文件表相同，故父子进程可以通过 pipe 的读写两端进行通信：
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
// ex8.c: communication between two processes
int
main()
{
int n, pid;
int fds[2];
char buf[100];
// create a pipe, with two FDs in fds[0], fds[1].
pipe(fds);
pid = fork();
if (pid == 0) {
// child
write(fds[1], "this is ex8\n", 12);
} else {
// parent
n = read(fds[0], buf, sizeof(buf));
write(1, buf, n);
}
exit(0);
}当 pipe 所有的写端被关闭后，使用 read() 系统调用会返回 0。
相比于临时文件，管道的一大优势就是会自动清理自己。管道可以通过任意长的数据量。
三、Lab util: Unix utilities
安装实验工具链：
sudo apt-get install git build-essential gdb-multiarch qemu-system-misc gcc-riscv64-linux-gnu binutils-riscv64-linux-gnu clone 并进入实验仓库：
git clone git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2023
cd xv6-labs-2023编译并运行 xv6：
make qemu成功运行会打印如下信息：
xv6 kernel is booting
hart 2 starting
hart 1 starting
init: starting sh
$下面开始完成实验。
3.1 Sleep（easy）
实现一个用户 sleep 函数，很简单，调用系统函数 sleep 就行：
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
/*
* usage: sleep
* to sleep for some tick
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 2)
{
fprintf(2, "usage: sleep \n");
exit(1);
}
int ticks = atoi(argv[1]);
sleep(ticks);
exit(0);
}
3.2 pingpong（easy）
实现父进程和子进程之间交换一个字节，使用前面的 pipe 即可实现父子进程的通信，因为 pipe 不是全双工的，所以这里我们用两个管道：
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
int pid, n;
int p1[2], p2[2];
char buf[10];
pipe(p1);
pipe(p2);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
/* child */
close(p1[1]); // close pipe1's write port
close(p2[0]);
n = read(p1[0], buf, 1);
if (n == 1)
{
fprintf(1, "%d: received ping\n", getpid());
}
write(p2[1], buf, 1);
}
else
{
/* parent */
close(p1[0]);
close(p2[1]);
write(p1[1], "a", 1);
n = read(p2[0], buf, 1);
if (n == 1)
{
fprintf(1, "%d: received pong\n", getpid());
}
}
exit(0);
}3.3 primes（hard）
实现Sieve质数算法，大致流程如下图，每个进程打印第一个输入的质数，然后使用第一个质数筛选一遍剩下的数（即不可被第一个质数整除），这样到达最后一个进程即可打印全部质数：
代码：
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
void run_process(int rd_pipe_fd)
{
int pipes[2];
int num, n;
n = read(rd_pipe_fd, &num, sizeof(num));
/* 判断是否有输入 */
if (n > 0)
{
/* 打印第一个质数 */
fprintf(1, "prime %d\n", num);
pipe(pipes);
int pid = fork();
if (pid > 0)
{
int num1;
/* 筛选一遍输入的数 */
while ((n = read(rd_pipe_fd, &num1, sizeof(num1))) != 0)
{
if (num1 % num != 0)
write(pipes[1], &num1, sizeof(num1));
}
close(pipes[1]);
close(rd_pipe_fd);
run_process(pipes[0]);
int status;
wait(&status);
exit(0);
}
}
else
{
close(rd_pipe_fd);
exit(0);
}
return;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
int pipes[2];
pipe(pipes);
for (i = 2; i <= 35; i++)
{
write(pipes[1], &i, sizeof(i));
}
close(pipes[1]);
run_process(pipes[0]);
exit(0);
}
3.4 find (moderate)
实现 find 命令：
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fs.h"
#include "kernel/fcntl.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;
}
void find(char *path, char *filename)
{
int fd;
char buf[512], *p;
struct stat st;
struct dirent dt;
/* open file */
if ((fd = open(path, O_RDONLY)) < 0)
{
fprintf(2, "cannot open %s\n", path);
return;
}
/* stat file */
if (fstat(fd, &st) < 0)
{
fprintf(2, "cannot stat %s\n");
close(fd);
return;
}
switch (st.type)
{
case T_DEVICE:
case T_FILE:
if (strcmp(fmtname(path), filename) == 0)
{
fprintf(1, "%s\n", path);
}
break;
case T_DIR:
strcpy(buf, path);
p = buf + strlen(buf);
*p++ = '/';
while ((read(fd, &dt, sizeof(dt))) == sizeof(dt))
{
if ((dt.inum == 0) || (strcmp(dt.name, ".") == 0) || (strcmp(dt.name, "..") == 0))
continue;
memmove(p, dt.name, DIRSIZ);
p[DIRSIZ] = 0;
find(buf, filename);
}
break;
}
close(fd);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc != 3)
{
fprintf(2, "Usage: find \n");
exit(1);
}
find(argv[1], argv[2]);
exit(0);
}
3.5 xargs (moderate)
因为不是所有指令都能直接读取标准输入作为参数，所以需要 xargs 进行转换：
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/param.h"
#include "user/user.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
if (argc < 2)
{
fprintf(2, "Usage: xargs ...");
exit(1);
}
char buf[512], *p;
int n, i;
p = buf;
/* read from the standard input */
while ((n = read(0, p, sizeof(char))) > 0)
{
if (*p == '\n')
{
char *args[MAXARG];
*p = '\0';
for (i = 1; i < argc; i++)
{
args[i-1] = argv[i];
}
char *p2 = buf;
char *ch_p;
while ((ch_p = strchr(p2, ' ')) != 0 && ch_p < buf + strlen(buf))
{
*ch_p = '\0';
args[i-1] = p2;
i++;
p2 = ch_p + 1;
}
args[i-1] = p2;
if (fork() == 0)
{
exec(args[0], args);
}
wait(0);
p = buf;
}
else
{
p++;
}
}
exit(0);
}
最后所有 test 均通过：
