6.s081-note01

Introduction

系统调用跳到内核与函数调用跳到另一个函数的区别：

Kernel的代码有特殊权限，能直接访问硬件

read, write, exit系统调用

XV6是基于Unix的操作系统，并运行在RISC-V微处理器上。

read: 接受三个参数

• 第一个为文件描述符，指向一个之前打开的文件。0连接到console的输入，1则连接到了console的输出。许多的Unix系统都会从文件描述符0读取数据，然后向文件描述符1写入数据。
• 第二个参数是指向某段内存的指针，可以通过指针对应的地址读内存中的数据
• 第三个参数是像想读取的最大长度。所以这里的read最多只能从连接到文件描述符0的设备，也就是console中，读取64字节的数据。

open系统调用

• 第一个参数是用来创建文件用的
• 第二个参数是一些标志位，来告诉open系统调用再内核中的实现

Shell

大致讲了一些xv6Shell的内容

fork系统调用

fork会拷贝当前进程的内存，并创建一个新的进程，这里的内存包含了进程的指令和数据。之后，我们就有了两个拥有完全一样内存的进程（除了返回值不一样）

fork创建了一个新的进程。当我们在Shell中运行东西的时候，Shell实际上会创建一个新的进程来运行你输入的每一个指令。所以，当我输入ls时，我们需要Shell通过fork创建一个进程来运行ls，这里需要某种方式来让这个新的进程来运行ls程序中的指令，加载名为ls的文件中的指令（也就是后面的exec系统调用）。

exec, wait系统调用

代码会执行exec系统调用，这个系统调用会从指定的文件中读取并加载指令，并替代当前调用进程的指令. 操作系统从名为echo的文件中加载指令到当前的进程中，并替换了当前进程的内存，之后开始执行这些新加载的指令。

Unix并没有一个直接的方法让子进程等待父进程。wait系统调用只能等待当前进程的子进程。所以wait的工作原理是，如果当前进程有任何子进程，并且其中一个已经退出了，那么wait会返回。

如果一个进程调用fork两次，如果它想要等两个子进程都退出，它需要调用wait两次。每个wait会在一个子进程退出时立即返回。当wait返回时，你实际上没有必要知道哪个子进程退出了，但是wait返回了子进程的进程号，所以在wait返回之后，你就可以知道是哪个子进程退出了。

xv6 chapter 1 操作系统接口

传统型态内核：一个向其他运行中的程序提供服务的特殊程序 每一个正在运行的程序（称为进程），都拥有自己的包含指令、数据、栈的内存空间。指令实现程序的运算，数据是用于运算过程的变量，栈则管理程序的过程调用。一台计算机通常有许多进程，但只有一个内核。

当一个进程需要调用一个内核服务时，它就会调用系统调用，这是操作系统接口中的一个调用。系统调用会进入内核，让内核执行服务然后返回。所以进程会在用户空间和内核空间之间交替运行。

​ shell是一个普通的程序，它从用户读取命令并执行它们。shell是一个用户程序，而不是内核的一部分，这一事实说明了系统调用接口的强大：shell没有什么特别之处。这也意味着shell是很容易被替换的;因此，事实上现代Unix系统中有各种各样的shell，每个都有自己的用户界面和脚本特性。xv6 shell是Unix Bourne shell的一个简单实现。它的实现可以在（user/sh.c:1）找到。

进程和内存

一个xv6进程由用户空间内存（指令、数据和堆栈）和内核私有的进程状态组成。Xv6对进程提供分时特性：它透明地切换当前cpu正在执行的进程。当一个进程暂时不使用cpu时，xv6会保存它的CPU寄存器，在下次运行该进程时恢复它们。内核为每个进程关联一个PID(进程标识符)。

可以使用fork系统调用创建一个新的进程。fork创建的新进程被称为子进程，其内存内容与调用的进程完全相同，原进程被称为父进程。在父进程和子进程中，fork都会返回。在父进程中，fork返回子进程的PID；在子进程中，fork返回0。

当exec成功时，它并不返回到调用程序；相反，从文件中加载的指令在ELF头声明的入口点开始执行。exec需要两个参数：包含可执行文件的文件名和一个字符串参数数组。

shell的主结构很简单，参见main(user/sh.c:145)。主循环用getcmd读取用户的一行输入，然后调用fork，创建shell副本。父进程调用wait，而子进程则运行命令。例如，如果用户向shell输入了echo hello，那么就会调用runcmd，参数为echo hello。runcmd (user/sh.c:58) 运行实际的命令。对于echo hello，它会调用exec (user/sh.c:78)。如果exec成功，那么子进程将执行echo程序的指令，而不是runcmd的。在某些时候，echo会调用exit，这将使父程序从main(user/sh.c:145)中的wait返回。

为什么fork和exec没有结合在一次调用中？我们后面会看到shell在实现I/O重定向时利用了这种分离的特性。为了避免创建相同进程并立即替换它（使用exec）所带来的浪费，内核通过使用虚拟内存技术（如copy-on-write）来优化这种用例的fork实现。

Xv6隐式分配大部分用户空间内存：fork复制父进程的内存到子进程，exec分配足够的内存来容纳可执行文件。一个进程如果在运行时需要更多的内存（可能是为了malloc），可以调用sbrk(n)将其数据内存增长n个字节；sbrk返回新内存的位置。

I/O和文件描述符

文件描述符是一个小整数，代表一个可由进程读取或写入的内核管理对象.

一个进程可以通过打开一个文件、目录、设备，或者通过创建一个管道，或者通过复制一个现有的描述符来获得一个文件描述符。

我们通常将文件描述符所指向的对象称为文件；文件描述符接口将文件、管道和设备之间的差异抽象化，使它们看起来都像字节流。我们把输入和输出称为I/O。

xv6内核为每一个进程单独维护一个以文件描述符为索引的表，因此每个进程都有一个从0开始的文件描述符私有空间。

一个进程从文件描述符0(标准输入)读取数据，向文件描述符1(标准输出)写入输出，向文件描述符2(标准错误)写入错误信息。

read/write系统调用可以从文件描述符指向的文件读写数据。(详见上方有关笔记)

• read(fd, buf, n)
• write(fd, buf, n)

若写入字节数小于n则该次写入发生错误。和read一样，write在当前文件偏移量处写入数据，然后按写入的字节数将偏移量向前推进：每次write都从上一次写入的地方开始。

文件描述符的使用和0代表输入，1代表输出的约定，使得cat可以很容易实现。

close系统调用会释放一个文件描述符，使它可以被以后的open、pipe或dup系统调用所重用（见下文）。新分配的文件描述符总是当前进程中最小的未使用描述符。

open的第二个参数由一组用位表示的标志组成，用来控制open的工作。可能的值在文件控制(fcntl)头(kernel/fcntl.h:1-5)中定义。O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR, O_CREATE, 和 O_TRUNC, 它们分别指定open打开文件时的功能，读、写、读和写、如果文件不存在则创建文件、将文件长度截断为0。

dup系统调用复制一个现有的文件描述符，返回一个新的描述符，它指向同一个底层I/O对象。

Pipes 管道

管道是一个小的内核缓冲区，作为一对文件描述符提供给进程，一个用于读，一个用于写。将数据写入管道的一端就可以从管道的另一端读取数据。管道为进程提供了一种通信方式。

File system 文件系统

xv6文件系统包含了数据文件（拥有字节数组）和目录（拥有对数据文件和其他目录的命名引用）。这些目录形成一棵树，从一个被称为根目录的特殊目录开始。像/a/b/c这样的路径指的是根目录/中的a目录中的b目录中的名为c的文件或目录。不以/开头的路径是相对于调用进程的当前目录进行计算其绝对位置的，可以通过chdir系统调用来改变进程的当前目录。下面两个open**打开了同一个文件（假设所有涉及的目录都存在）。

文件名称与文件是不同的；底层文件（非磁盘上的文件）被称为inode，一个inode可以有多个名称，称为链接。每个链接由目录中的一个项组成；该项包含一个文件名和对inode的引用。inode保存着一个文件的metadata（元数据），包括它的类型（文件或目录或设备），它的长度，文件内容在磁盘上的位置，以及文件的链接数量。

unlink系统调用会从文件系统中删除一个文件名。只有当文件的链接数为零且没有文件描述符引用它时，文件的inode和存放其内容的磁盘空间才会被释放。

fd = open("/tmp/xyz", O_CREATE | O_RDWR);
unlink("/tmp/xyz");

这段代码是创建一个临时文件的一种惯用方式，它创建了一个无名称inode，故会在进程关闭fd或者退出时删除文件。