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bufferpipe(p);//父 <=======> 子//子进程执行if，父进程执行elseif(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elseif(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