与进程有关的重要系统调用 ================================================ 重要系统调用 ------------------------------------------------------------ fork 系统调用 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ .. code-block:: rust /// 功能:由当前进程 fork 出一个子进程。 /// 返回值:对于子进程返回 0,对于当前进程则返回子进程的 PID 。 /// syscall ID:220 pub fn sys_fork() -> isize; exec 系统调用 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ .. code-block:: rust /// 功能:将当前进程的地址空间清空并加载一个特定的可执行文件,返回用户态后开始它的执行。 /// 参数:字符串 path 给出了要加载的可执行文件的名字; /// 返回值:如果出错的话(如找不到名字相符的可执行文件)则返回 -1,否则不应该返回。 /// 注意:path 必须以 "\0" 结尾,否则内核将无法确定其长度 /// syscall ID:221 pub fn sys_exec(path: &str) -> isize; 利用 ``fork`` 和 ``exec`` 的组合,我们能让创建一个子进程,并令其执行特定的可执行文件。 waitpid 系统调用 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ .. code-block:: rust /// 功能:当前进程等待一个子进程变为僵尸进程,回收其全部资源并收集其返回值。 /// 参数:pid 表示要等待的子进程的进程 ID,如果为 -1 的话表示等待任意一个子进程; /// exit_code 表示保存子进程返回值的地址,如果这个地址为 0 的话表示不必保存。 /// 返回值:如果要等待的子进程不存在则返回 -1;否则如果要等待的子进程均未结束则返回 -2; /// 否则返回结束的子进程的进程 ID。 /// syscall ID:260 pub fn sys_waitpid(pid: isize, exit_code: *mut i32) -> isize; ``sys_waitpid`` 在用户库中被封装成两个不同的 API, ``wait(exit_code: &mut i32)`` 和 ``waitpid(pid: usize, exit_code: &mut i32)``, 前者用于等待任意一个子进程,后者用于等待特定子进程。它们实现的策略是如果子进程还未结束,就以 yield 让出时间片: .. code-block:: rust :linenos: // user/src/lib.rs pub fn wait(exit_code: &mut i32) -> isize { loop { match sys_waitpid(-1, exit_code as *mut _) { -2 => { sys_yield(); } n => { return n; } } } } 应用程序示例 ----------------------------------------------- 借助这三个重要系统调用,我们可以开发功能更强大的应用。下面是两个案例: **用户初始程序-init** 和 **shell程序-user_shell** 。 用户初始程序-initproc ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 在内核初始化完毕后创建的第一个进程,是 **用户初始进程** (Initial Process) ,它将通过 ``fork+exec`` 创建 ``user_shell`` 子进程,并将被用于回收僵尸进程。 .. code-block:: rust :linenos: // user/src/bin/ch5b_initproc.rs #![no_std] #![no_main] #[macro_use] extern crate user_lib; use user_lib::{ fork, wait, exec, yield_, }; #[no_mangle] fn main() -> i32 { if fork() == 0 { exec("ch5b_user_shell\0"); } else { loop { let mut exit_code: i32 = 0; let pid = wait(&mut exit_code); if pid == -1 { yield_(); continue; } println!( "[initproc] Released a zombie process, pid={}, exit_code={}", pid, exit_code, ); } } 0 } - 第 19 行为 ``fork`` 出的子进程分支,通过 ``exec`` 启动shell程序 ``user_shell`` , 注意我们需要在字符串末尾手动加入 ``\0`` 。 - 第 21 行开始则为父进程分支,表示用户初始程序-initproc自身。它不断循环调用 ``wait`` 来等待并回收系统中的僵尸进程占据的资源。 如果回收成功的话则会打印一条报告信息给出被回收子进程的 PID 和返回值;否则就 ``yield_`` 交出 CPU 资源并在下次轮到它执行的时候再回收看看。 shell程序-user_shell ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ user_shell 需要捕获用户输入并进行解析处理,为此添加一个能获取用户输入的系统调用: .. code-block:: rust /// 功能:从文件中读取一段内容到缓冲区。 /// 参数:fd 是待读取文件的文件描述符,切片 buffer 则给出缓冲区。 /// 返回值:如果出现了错误则返回 -1,否则返回实际读到的字节数。 /// syscall ID:63 pub fn sys_read(fd: usize, buffer: &mut [u8]) -> isize; 实际调用时,我们必须要同时向内核提供缓冲区的起始地址及长度: .. code-block:: rust // user/src/syscall.rs pub fn sys_read(fd: usize, buffer: &mut [u8]) -> isize { syscall(SYSCALL_READ, [fd, buffer.as_mut_ptr() as usize, buffer.len()]) } 我们在用户库中将其进一步封装成每次能够从 **标准输入** 中获取一个字符的 ``getchar`` 函数。 shell程序 ``user_shell`` 实现如下: .. code-block:: rust :linenos: :emphasize-lines: 28,53,61 // user/src/bin/ch5b_user_shell.rs #![no_std] #![no_main] extern crate alloc; #[macro_use] extern crate user_lib; const LF: u8 = 0x0au8; const CR: u8 = 0x0du8; const DL: u8 = 0x7fu8; const BS: u8 = 0x08u8; use alloc::string::String; use user_lib::{fork, exec, waitpid, yield_}; use user_lib::console::getchar; #[no_mangle] pub fn main() -> i32 { println!("Rust user shell"); let mut line: String = String::new(); print!(">> "); loop { let c = getchar(); match c { LF | CR => { println!(""); if !line.is_empty() { line.push('\0'); let pid = fork(); if pid == 0 { // child process if exec(line.as_str()) == -1 { println!("Error when executing!"); return -4; } unreachable!(); } else { let mut exit_code: i32 = 0; let exit_pid = waitpid(pid as usize, &mut exit_code); assert_eq!(pid, exit_pid); println!( "Shell: Process {} exited with code {}", pid, exit_code ); } line.clear(); } print!(">> "); } BS | DL => { if !line.is_empty() { print!("{}", BS as char); print!(" "); print!("{}", BS as char); line.pop(); } } _ => { print!("{}", c as char); line.push(c as char); } } } } 可以看到,在以第 25 行开头的主循环中,每次都是调用 ``getchar`` 获取一个用户输入的字符, 并根据它相应进行一些动作。第 23 行声明的字符串 ``line`` 则维护着用户当前输入的命令内容,它也在不断发生变化。 - 如果用户输入回车键(第 28 行),那么user_shell 会 fork 出一个子进程(第 34 行开始)并试图通过 ``exec`` 系统调用执行一个应用,应用的名字在字符串 ``line`` 中给出。如果 exec 的返回值为 -1 , 说明在应用管理器中找不到对应名字的应用,此时子进程就直接打印错误信息并退出;否则子进程将开始执行目标应用。 fork 之后的 user_shell 进程自己的逻辑可以在第 41 行找到。它在等待 fork 出来的子进程结束并回收掉它的资源,还会顺带收集子进程的退出状态并打印出来。 - 如果用户输入退格键(第 53 行),首先我们需要将屏幕上当前行的最后一个字符用空格替换掉, 这可以通过输入一个特殊的退格字节 ``BS`` 来实现。其次,user_shell 进程内维护的 ``line`` 也需要弹出最后一个字符。 - 如果用户输入了一个其他字符(第 61 行),就接将它打印在屏幕上,并加入到 ``line`` 中。 - 按键 ``Ctrl+A`` 再输入 ``X`` 来退出qemu模拟器。