Quartz 4

Lec01-Introduction and Examples

6 min read

  • OS 设计：怎么运行的
  • xv6小型操作系统：实践经验

目标：

  • 对硬件抽象
  • 在许多应用程序中复用硬件（multiplexing）
  • 进程隔离（并发
  • 共享文件
  • 安全系统/权限系统
  • 不会阻碍应用程序的性能

结构

FS：文件系统

  • 访问控制

内核-API：

内核态：操作系统启动后会一直执行的部分，比如文件访问

用户态：操作系统启动后，操作系统之上的程序执行的部分。比如qq，微信，浏览器

系统调用

  • 打开文件：open("filename"， 1)，系统会获取到open的参数，执行一些实现了open的内核代码
  • 创建一个新线程：pid = fork()
  • …

why hard and interesting

QEMU: 硬件模拟器

操作系统的困难：

  • 解决一系列矛盾
  • 高性能、高度抽象
  • 责任重大（powerful）、易于使用（simple api）
  • 灵活接口、安全的接口

有趣的点：

  • 靠近计算机运行原理
  • 靠近基础架构
  • 便于你解决上层应用程序的bug，因为可能与操作系统特性有关

unix系统调用简介

系统调用时操作系统提供服务的接口

课程使用xv6并运行在RISC-V处理器上，不过这里使用QEMU模拟

read, write, exit

copy.c

这个简单的程序使用了三个系统调用：

  • read：
    • 接受三个参数：文件描述符、指向内存的指针、读取最大长度
    • 文件描述符：0代表console的输入，1代表console的输出
    • 返回值：读取到的字节数
  • write：
    • 接受参数和read相同，只不过是向console输出
  • exit：程序返回，告诉操作系统自己的状态，并让操作系统杀死自己。

open调用

open调用会创建新的文件描述符。如果建立成功，会建立唯一的文件到设备的访问路径。调用失败会返回-1并设置全局变量errno指明失败原因。

open 调用必须指定以下文件访问模式之一：

  • O_RDONLY：以只读方式打开；
  • O_WRONLY：以只写方式打开；
  • O_RDWR ：以读写方式打开。

另外，还有以下几种可选模式的组合（ 用按位或 || 来操作 ）：

  • O_APPEND：把写入数据追加在文件的末尾；
  • O_TRUNC：把文件长度设置为零，丢弃已有的内容；
  • O_CREAT：如果需要，就按照参数 mode 中给出的访问模式创建文件；
  • O_EXCL：与 O_CREAT 一起使用，确保调用者创建出文件。使用这个模式可以防止两个程序同时创建同一个文件，如果文件已经存在，open 调用将失败。

Shell

fork调用

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就是复制一份程序，执行后会有两个完全一样的进程，包括寄存器、内存，唯一的区别的进程编号pid。

fork后OS会选择一个执行，但创建新线程会产生额外的开销，所以概率上会先执行父线程。

fork后因为需要复制内存，所以会产生开销，但是可能不会使用这些内存，这产生了很多浪费，所以操作系统可能会在程序访问时创建内存。

在Shell中，shell会创建一个子线程处理，比如ls，mkdir，然后在子线程中调用exec系统调用执行。

exec

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系统调用exec是以新的进程去代替原来的进程，原来的线程不复存在了，但程序的pid不变。可以理解成程序跑去执行另一个程序了，除非exec失败，后面的代码都不会执行。

在shell中不会使用exec执行，因为这会关闭shell，shell会fork一个子线程然后在子线程中执行exec。

wait

wait会让父线程等待子线程执行，会查看自己的子线程，只要有一个子线程运行结束了，父线程才会执行后面的代码。

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如果存在多个子线程，即fork过多次，那么父线程需要wait多次。

IO 重定向

echo hello > out

上面代码的功能是将echo程序执行的结果输出到out文件中

cat < out

这个代码的功能是从out中读取然后让cat输出

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图片中close(1)只会在子线程中执行，会将输出重定向，此时程序执行后会将内容写到output.txt中

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