MIT6.S081 - Lab1：Xv6 and Unix utilities

2024-04-16 15:54 由 jll133688 发表于 #操作系统

Part1：sleep

实验要求与提示

可以参考 user/echo.c, user/grep.c 和 user/rm.c 文件
如果用户忘记传递参数，sleep 应该打印一条错误消息
命令行参数传递时为字符串，可以使用 atoi 函数将字符串转为数字
使用系统调用 sleep，有关实现 sleep 系统调用的内核代码参考 kernel/sysproc.c(查找 sys_sleep),关于可以从用户程序调用的 sleep 的 C 定义，参阅 user/user.h，以及 user/usys.S 表示从用户跳转到内核休眠的汇编代码
确保 main 调用 exit() 以退出程序
在 Makefile 中将 sleep 程序条件到 UPROGS 中，这样可以使得 make qemu 能够编译程序，并在 xv6 shell 中运行

遇到的问题

问题一

问题：运行 ./grade-lab-util sleep 显示错误 /usr/bin/env: ‘python’: No such file or directory ，可能是没装 python2 或者装的是 python3
解决：将 grade-lab-util 文件第一行的 !/usr/bin/env python 改为 !/usr/bin/env python3

问题二

问题：make qemu 后无法退出
解决：输入 ctrl+a 后抬起按键，然后再输入 x

最终代码

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc < 2){  // 判断用户是否输入了参数
        fprintf(2, "Usage: sleep has not input parameters!\n");  //将错误信息写入到标准错误2
        exit(1);  // 非正常运行导致退出程序
    }
    sleep(atoi(argv[1]));   // 使用sleep系统调用，使用atoi将输入的字符串转为数字
    exit(0);    // 正常退出，注意这里没用return
}

注意要将 sleep 添加到 Makefile 的 UPROGS 中

可以使用 ./grade-lab-util sleep 来进行打分，使用 make grade 可以给整个实验打分

实验思考

实现 sleep 比较容易，但是要掌握 sleep、exit、atoi 等的使用
exit 和 return 的不同点：

exit(0)：正常运行程序并退出程序
exit(1)：非正常运行导致退出程序
return()：返回函数，若在主函数中，则会退出函数并返回一值
- return 返回函数值，是关键字；exit 是一个函数
- return 是语言级别的，由 C 语言提供，它表示了调用堆栈的返回；而 exit 是系统调用级别的，是由操作系统提供的（或者函数库中给出的），它表示了一个进程的结束
- return 是函数的退出(返回)；exit 是进程的退出
- return 用于结束一个函数的执行，将函数的执行信息传出个其他调用函数使用；exit 函数是退出应用程序，删除进程使用的内存空间，并将应用程序的一个状态返回给 OS，这个状态标识了应用程序的一些运行信息，这个信息和操作系统有关，一般是 0 为正常退出，非 0 为非正常退出
- 非主函数中调用 return 和 exit 效果很明显，但是在 main 函数中调用 return 和 exit 的现象就很模糊，多数情况下现象都是一致的

Part2：pingpong

实验要求与提示

调用一对管道（每个方向一个管道）在两个进程间"ping-pong"传递一个字节。父进程向子进程发送一个字节，子进程输出 <pid>: received ping，其中 <pid> 是它的进程 ID，然后子进程将字节写入管道，随后退出，父进程从子进程读取字节，打印 <pid>: received pong，随后退出
使用 pipe 创建一个管道；使用 fork 创建子进程；使用 read 从管道中读数据，使用 write 将数据写入到管道；使用 getpid 查找进程的 ID
xv6 上的用户程序中可供使用的库函数可以在 user/user.h 中查看，它们的源代码(除了用于系统调用)在 user/ulib.c、user/printf.c 和 user/umalloc.c 中

遇到的问题

问题一

问题：VScode 中怎么调试用户程序
配置：首先应该将 launch.json 中的 "stopAtEntry": 改为 true
调试步骤：
1. 点调试按键开启调试，此时会停在 kernerl/main.c 的入口处
2. 在调试控制台输入 -exec file ./user/_filename，filename 为需要调试的文件名称
3. 在终端输入 filename ，点击继续开始调试的按键，然后就可以进入文件调试了
4. 如果需要对该文件进行多次调试，直接在终端重新输入 filename 就行
注意：第一次调试某文件时，不要先设置断点，有的地方设置断点可能会导致进入不了该文件，等第一次调试之后再将断点打在能变为红色的地方

问题二

问题：python 用多了，C 语言中关于字符串、指针的用法就有点模糊了，程序错误都是因为这里
解决：韦东山有个视频是关于指针的，然后再找一个数组的视频或文档看一看

最终代码

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[]){
    int p1[2];
    int p2[2];
    int pid;
    char recv1[64];
    char recv2[64];
    pipe(p1);
    pipe(p2);
    pid = fork();
    if(pid == 0){     // 子进程
        close(p1[1]);   // 关闭写通道
        read(p1[0], recv1, sizeof("ping"));  // 等待父进程将数据写入通道
        printf("%d: received %s\n", getpid(), recv1);
        close(p1[0]);
        close(p2[0]);
        write(p2[1], "pong", sizeof("pong"));
        close(p2[1]);
        exit(0);
    }else{            // 父进程
        close(p1[0]);   // 关闭写通道
        write(p1[1], "ping", sizeof("ping"));  // 写入通道
        close(p1[1]);
        close(p2[1]);
        read(p2[0], recv2, sizeof("pong"));
        printf("%d: received %s\n", getpid(), recv2);
        close(p2[1]);   
    }
    exit(0);
}

实验思考

关于通道读写的过程一定要知道在什么情况下会发生什么，在不使用读端或者写端的时候一定要关闭，不然可能会造成自己被自己阻塞的现象
这个实验实现起来比较简单，但是能深挖的逻辑关系有很多，之后需要再进行复习，理清之间的关系

Part3: primes

实验要求与提示

使用 pipe 和 fork 来设置管道，首先将数字 2 到 35 输入管道。对于每个素数将安排创建一个进程，该进程通过一个管道从其左侧邻居读取数据，并通过另一个管道向其右侧邻居写入数据。由于 xv6 的文件描述符和进程数量有限，第一个进程可以在 35 时停止
要小心关闭进程不需要的文件描述符，否则程序将在第一个进程达到 35 之前耗尽 xv6 的资源
一旦第一个进程达到 35，它应该等到整个管道终止，包括所有的子进程、孙子进程等等。因此，主质数进程应该只在所有输出都打印出来之后退出，并且在所有其他质数进程都退出之后退出
当管道的写端关闭时，read 返回零
最简单的方法是直接将 32 位(4 字节)整数写入管道，而不是使用格式化的 ASCII I/O
仅在需要时在管道中创建进程

最终代码

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

#define WRITE 1
#define READ 0
void primeprocess(int p[]){
    int first_num;
    close(p[WRITE]);
    if(read(p[READ], &first_num, sizeof(first_num)) == 0){  // 递归终止条件，读不到数据
        close(p[READ]);
        exit(0);   
    }
    printf("prime %d\n", first_num);  // 第一个进入管道的肯定是素数
    int p_child[2];
    pipe(p_child);                  // 创建下一个pipe
    int pid = fork();
    if(pid == 0){                   // 子进程
        primeprocess(p_child);      // 递归函数
    }else{                          // 父进程
        int num; 
        close(p_child[READ]);      
        while(read(p[READ], &num, sizeof(num)) != 0){
            if(num % first_num != 0){
                write(p_child[WRITE], &num, sizeof(num));
            }
        }
        close(p[READ]);
        close(p_child[WRITE]);
        wait(0);   // 需要等待子进程退出才能退出
    }
    exit(0);   // 子进程结束
}
int main(int argc, char *argv[]){
    int p[2];
    pipe(p);
    int pid = fork();
    if(pid == 0){    // 子进程
        primeprocess(p);
    }else{
        close(p[READ]);
        for(int i = 2; i < 36; i++){
            write(p[WRITE], &i, sizeof(i));  // 注意这里是将i的地址给write函数
        }
        close(p[WRITE]);
        wait(0);
    }
    exit(0);
}

实验思考

这道题关键在于理解问题所表达的意思，用递归的方法主要是因为父进程需等待子进程退出，不过递归的思路比较简单
注意 write(p[WRITE], &i, sizeof(i)) 中是传递的 i 的地址

Part4: find

实验要求与提示

查看 user/ls.c 了解如何读取目录
使用递归查找子目录，但除去"."和".."
对文件系统的更改在 qemu 运行期间持续存在;要获得一个干净的文件系统，请运行 make clean，然后运行 qemu
需要使用 C 字符串，注意比较字符串不能像 python 一样直接 ==，而是应该用 strcmp() 等

遇到的问题

问题一

问题：不太熟悉 find 函数的使用，不知道它后面都带能带哪些函数
解决：这个实验仅仅是实现了 find 函数的部分功能，它的语法为 find [路径] [匹配条件] [动作] ，之后可以再尝试实现它里面更多的功能

最终代码

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fs.h"
#include "kernel/fcntl.h"

char* fmtname(char *path)
{
  char *p;
  // 查找末尾斜杠后的第一个字符
  for(p=path+strlen(path); p >= path && *p != '/'; p--);
  p++;
  return p;
}

void find(char *path, char *target)
{
  char buf[512], *p;
  int fd;
  struct dirent de;  // 记录文件前缀
  struct stat st;    // inode

  if((fd = open(path, O_RDONLY)) < 0){
    fprintf(2, "find: cannot open %s\n", path);
    return;
  }

  if(fstat(fd, &st) < 0){
    fprintf(2, "find: cannot stat %s\n", path);
    close(fd);
    return;
  }

  switch(st.type){
    case T_FILE:   // 文件
      if(strcmp(fmtname(path), target) == 0)
        printf("%s\n", path);
      break;

    case T_DIR:    // 目录
      if(strlen(path) + 1 + DIRSIZ + 1 > sizeof(buf)){
        printf("ls: path too long\n");
        break;
      }
      strcpy(buf, path);    // 复制path到buf里
      p = buf+strlen(buf);  // 将p指向buf的末尾 
      *p++ = '/';           // 将buf的末尾添加/，从a/b变为a/b/
      while(read(fd, &de, sizeof(de)) == sizeof(de)){   // 依次读取目录里面的文件
        // 这里的判断注意加上"."和".."的判断，它们不进入递归
        if(de.inum == 0 || strcmp(de.name, ".") == 0 || strcmp(de.name, "..") == 0)  
          continue;
        memmove(p, de.name, DIRSIZ);  // 合并文件为a/b/de.name
        p[DIRSIZ] = 0;   // 结束字符串
        if(stat(buf, &st) < 0){
          printf("find: cannot stat %s\n", buf);
          continue;
        }
        find(buf, target);   // 递归，从开始路径一直往深处查找文件
      }
      break;
    }
  close(fd);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  if(argc != 3){
    printf("Usage: find <dirName> <fileName>\n");
    exit(1);
  }
  find(argv[1], argv[2]);
  exit(0);
}

实验思考

read(fd, &de, sizeof(de)) 是读取文件的方法，其中 struct dirent de 用来记录文件前缀，它的结构体如下：

struct dirent {
  ushort inum;
  char name[DIRSIZ];
};

这道题在 user/ls.c 的基础上进行修改，但要注意在文件判断时，要排除 "." 和 ".." 的情况，它们不能进入递归

Part5: xargs

实验要求与提示

使用 fork 和 exec 对每一行输入调用命令。在父进程中使用 wait 来等待子进程完成命令
要读取单独的输入行，每次读取一个字符，直到出现换行符 '\n'。
kernel/param.h 声明 MAXARG，如果需要声明 argv 数组，这可能很有用。

最终代码

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fs.h"
#include "kernel/fcntl.h"
#include "kernel/param.h"
#define MAXBUF 1024
int main(int argc, char *argv[]){
    char *xargs_argv[MAXARG];   // 字符串数组
    char buf[MAXBUF];           // 字符数组
    int i;
    if(argc < 2){
        printf("Usage: xargs <command>\n");
        exit(1);
    }

    for(i = 0; i < argc; i++){
        xargs_argv[i - 1] = argv[i];  // argv里面为管道|后面的输入，字符串数组
    }
    while(1){
        int index = 0;   // buf写入字节顺序
        int buf_index = 0;  // buf遇到' '或'\n'的首地址
        int xargs_index = argc - 1;
        int re;    // read返回值
        char ch;   // 读到的一个字节
        while(1){
            re = read(0, &ch, sizeof(ch));   // 读取shell标准输入的一个字节
            if(re == 0){
                exit(0);      // 表示没有读到字节，结束程序（这里是程序正常结束的唯一出口）
            }
            if(ch == ' ' || ch == '\n'){
                buf[index++] = '\0';
                xargs_argv[xargs_index++] = &buf[buf_index];   //将buf当前的字符串传给xargs_argv
                buf_index = index;       // 更新buf当前命令首地址
                if(ch == '\n')break;     // 跳出循环，执行一行命令
            }else{
                buf[index++] = ch;
            }
        }
        xargs_argv[xargs_index] = (char *)0;   // 结束一行命令
        int pid = fork();
        if(pid == 0){    // 子程序
            exec(xargs_argv[0], xargs_argv);
        }else{
            wait((int *) 0);  //等待子程序执行完毕
        }
    }
    exit(0);   
}

实验思考

这道题主要是要理解 xargs 的用法以及灵活使用指针和数组，其中字符串数组和字符数组的用法要区分清楚
可以用 '\0' 来标记字符串的结束
argv 的字符串只包括了管道最后一个输入，这里是整个代码的关键