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第一讲 操作系统概述
第五节 实践：试试UNIX/Linux
向勇 陈渝 李国良 任炬
2024年春季
UNIX/Linux？
- Linux
- Ubuntu、Fedora、SuSE、openEuler
- 麒麟 统信
- Windows with WSL (Windows Subsystem of Linux)
- MacOS with UNIX shell
UNIX/Linux？
- 开放源码，有很好的文档，设计简洁，使用广泛
- 如果你了解Linux的内部情况，学习ucore/rcore会有帮助。
Try UNIX/Linux
-
shell
- bash 基本的shell环境
- fish 强调交互性和可用性
- zsh 带有自动补全、支持插件
- starship 轻量、迅速、可无限定制
-
program
- ls, rm，gcc，gdb, vim ...
UNIX/Linux提供哪些服务？
- 进程（正在运行的程序）
- 内存分配
- 文件内容、文件名、目录
- 访问控制（安全）
- 许多其他的：用户、IPC、网络、时间
UNIX/Linux提供的应用/内核接口？
-
APP -> C lib -> Syscall -> Kernel
-
用C语言，来自类UNIX OS
fd = open("out", 1); write(fd, "hello\n", 6); -
看起来像函数调用，其实是系统调用
-
核心的系统调用数量并不多
UNIX/Linux提供的应用/内核接口？
| 系统调用名 | 含义 |
|---|---|
int fork() | 创建一个进程，返回子进程的PID。 |
int exit(int status) | 终止当前进程；报告状态给执行wait()系统调用的父进程。没有返回。 |
int wait(int *status) | 等待子进程退出；退出状态为 *status ；返回子进程的PID。 |
int kill (int pid) | 终止进程号为PID的进程。返回0表示成功，或-1表示错误。 |
int getpid() | 返回当前进程的PID。 |
UNIX/Linux提供的应用/内核接口？
| 系统调用名 | 含义 |
|---|---|
int sleep(int n) | 暂停n个时钟周期。 |
int exec(char *file，char *argv[]) | 用参数加载文件并执行；仅当出错时返回。 |
char *sbrk(int n) | 将进程内存增加n个字节。返回新内存的开始地址。 |
int open(char *file，int flags) | 打开文件；标志flag表示文件操作的读/写属性；返回一个fd(文件描述符)。 |
int write(int fd，char *buf，int n) | 从buf向文件描述符fd写入n个字节；返回n。 |
UNIX/Linux提供的应用/内核接口？
| 系统调用名 | 含义 |
|---|---|
int read(int fd，char *buf，int n) | 将n个字节读入buf；返回读取的数字；如果文件结束，则为0。 |
int close(int fd) | 释放打开的描述符为fd的文件。 |
int dup(int fd) | 返回一个新的文件描述符，引用与文件描述符相同的文件。 |
int pipe(int p[]) | 创建一个管道，将读/写文件描述符放在p[0]和p[1]中。 |
int chdir(char *dir) | 更改当前目录。 |
UNIX/Linux提供的应用/内核接口？
| 系统调用名 | 含义 |
|---|---|
int mkdir(char *dir) | 创建一个新目录。 |
int mknod(char *file, int, int) | 创建一个设备文件。 |
int fstat(int fd,struct stat *st) | 将文件fd的元信息放入*st |
int stat(char *file,struct stat *st) | 将文件 *file 的元信息放入 *st |
int link(char *file1，char *file2) | 为文件file1创建另一个名称(file2) |
int unlink(char *file) | 删除文件。 |
UNIX/Linux应用
进程相关
fork.c exec.c forkexec.c
文件系统相关
list.c open.c echo.c copy.c
进程间通信相关
pipe1.c pipe2.c redirect.c
UNIX/Linux应用 - open
-
例如：open.c，创建一个文件
$ open $ cat output.txt
-
open() 创建一个文件，返回一个文件描述符（File Descriptor，简称FD，或-1表示错误）。
-
FD是正整数，代表一个打开的文件
-
进一步细节可以参考UNIX/Linux手册，例如执行 "man 2 open"
-
man的第一个参数：1 表示查shell命令；2 表示查系统调用
UNIX/Linux应用 - copy
例如：copy.c，将输入文件内容复制到输出文件中 从输入文件中读取字节内容，将其写入输出文件中
$ copy
read()和write()是系统调用 read()/write()第一个参数是"文件描述符"(fd) 传递给内核，告诉它要读/写哪个 "打开的文件"
UNIX/Linux应用 - copy
-
一个文件描述符对应一个打开的文件
-
一个进程可以打开许多文件，有许多描述符
-
缺省情况：
- 文件描述符
0是 "标准输入", 通常是键盘 - 文件描述符
1是 "标准输出"，通常是显示器
- 文件描述符
-
read()第二个参数是指向要读取的缓冲区的指针，缓冲区的大小由第三个参数指定
-
文件访问模式：
open -> read/write -> close
UNIX/Linux应用 - fork
fork()系统调用创建一个进程的副本（子进程）
- 复制：指令、数据、寄存器、文件描述符、当前目录
- 形成"父 "和 "子 "进程
UNIX/Linux应用 - fork
-
区别：fork()在父进程中返回一个pid，在子进程中返回0。
-
pid（进程ID）是一个整数，内核给每个进程一个不同的pid
-
因此，fork.c中父子进程的
fork()返回值pid不同 -
父子进程的执行差别就体现在对
fork()返回值pid的判别上- 0代表子进程，否则代表父进程
UNIX/Linux应用 - exec
-
怎样才能在这个进程中运行一个新程序呢？
-
例如：exec.c，用一个可执行文件代替调用进程。
exec(filename, argument-array) argument-array保存命令行参数；exec传递给main()
exec()用新执行文件取代当前进程
- 丢弃已有指令和数据内存空间
- 从文件中加载新执行程序的指令和数据
UNIX/Linux应用 - forkexec
例如：forkexec.c，fork()一个新进程，exec()一个程序。
常见的UNIX APP执行模式
- fork()：创建子进程
- exec()：子进程中执行新程序
- wait()：父进程等待子进程完成
- exit()：进程退出
UNIX/Linux应用 - redirect
例子：redirect.c，重定向一个命令的输出
- 缺省情况下，文件描述符为
1的文件是屏幕输出 - open()总是选择值最小的未使用的文件描述符
- 通过
close(1) + open(...)操作，设定"output.txt"的文件描述符为1 - exec(...)系统调用保留了文件描述符，执行echo命令后，它的屏幕输出将被重定向到"output.txt"
$ redirect
$ cat output.txt
分析UNIX/Linux类应用 - pipe2
- 例子pipe2.c，进程间通信。
- shell如何使用管道机制
"|"
$ ls | grep x
pipe()系统调用创建了两个fd
- 从fd[1]写入，从fd[0]中读取
UNIX/Linux应用
一些值得思考的问题：
- 为什么是这些I/O和进程的抽象？为什么不是其他的东西？
- 为什么要提供一个文件系统，而不让程序以自己的方式使用磁盘？
- 为什么read/write文件用FD而不是文件名？
- 为什么文件是字节流，而不是磁盘块或格式化记录？
- 为什么不把fork()和exec()结合起来？
UNIX的设计很好用，但也存在其他的设计
分析UNIX/Linux类应用
小结
- 介绍了UNIX的I/O、文件系统和进程的抽象
- 这些接口很简洁，只有整数和I/O缓冲区
- 这些抽象结合得很好，例如，I/O重定向