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年秋季

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

分析一些非常简单的小程序

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

  • 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

--- ## UNIX/Linux应用 - copy - 返回值：实际读取的字节数，或者-1表示错误 - 注意：copy.c并不关心数据的格式 - 数据格式的解释是特定于应用的，例如数据库记录、C源码等 - 文件描述符从何而来？

--- ## UNIX/Linux应用 - open 当程序调用open()这样的系统调用时会发生什么？ - 看起来像一个函数调用，但它实际上是一个特殊的指令 - 硬件保存了一些用户寄存器（用户态） - 硬件提高权限级别（内核态） - 硬件跳转到内核中一个已知的 "入口点"（内核态入口） - 然后在内核中运行C代码（执行内核态代码） --- ## UNIX/Linux应用 - open 当程序调用open()这样的系统调用时会发生什么？ - 内核调用系统调用实现 - open() 在文件系统中查找名字 - 它可能会等待磁盘的到来 - 更新内核数据结构（缓存，FD表） - 恢复用户寄存器 - 降低权限级别 - 跳回程序中的调用点，继续运行 - 将在后面的课程中看到更多的细节

--- ## UNIX/Linux应用 - shell - 在向UNIX的命令行界面（shell）输入信息。 - shell打印出"$"的提示。 - shell让你运行UNIX的命令行工具 - 对系统管理、处理文件、开发和编写脚本很有用 $ ls $ ls > out $ grep x < out --- ## UNIX/Linux应用 - shell - 但通过shell来支持分时共享多任务执行是UNIX设计之初的重点。 - 可以通过shell行使许多系统调用。 - shell为输入的每个命令创建一个新的进程，例如，对于 $ echo hello

--- ## UNIX/Linux应用 - exec exec(filename, argument-array) argument-array保存命令行参数；exec传递给main() cat user/echo.c echo.c显示了一个程序如何看待它的命令行参数

--- ## UNIX/Linux应用 - wait - shell你输入的每个命令都进行fork/exec/wait操作。 - 在wait()之后，shell会打印出下一个提示信息 - 在后台运行 -- `&` -- , shell会跳过wait()

--- ## UNIX/Linux应用 - exit - exit(status) --\> wait(&status) - status约定：0 = 成功，1 = 命令遇到了一个错误 - 注意：fork()会复制，但exec()会丢弃复制的内存。 - 这可能看起来很浪费 - 可以通过 "写时复制 "技术透明地消除复制

--- ## 分析UNIX/Linux类应用 - pipe1 例子：[pipe1.c](https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2021/lec/l-overview/pipe1.c)，通过一个管道（PIPE）进行通信 shell如何使用管道机制 `"|"` $ ls | grep x $ pipe1 pipe()系统调用创建了两个fd - 写入fd[1]，从fd[0]中读取 ![bg right 90%](../lec10/figs/pipe-fds-close.png)

--- ## 分析UNIX/Linux类应用 - pipe1 内核为每个管道维护一个缓冲区 - write()添加到缓冲区中 - read()等待，直到有数据出现

--- ## UNIX/Linux应用 - 注意：open()总是选择最低的未使用的FD；选择1是由于close(1)。 - fork、FD和exec很好地互动，以实现I/O重定向 - 独立的fork-then-exec给子进程一个机会在exec之前改变FD。 - FDs提供了指示作用 - 命令只需使用FDs 0和1，不需要知道它们的位置 - exec保留了shell设置的FDs - 因此：只有shell需要知道I/O重定向，而不是每个程序

--- ## 分析UNIX/Linux类应用 - 例子：[list.c](https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2021/lec/l-overview/list.c)，列出一个目录中的文件 - ls是如何获得一个目录中的文件列表的？ - 可以打开一个目录并读取它 -> 文件名 - "... "是一个进程的当前目录的假名 - 更多细节见ls.c