MIT6.S081（操作系统）学习笔记

操作系统入门系列-MIT6.S081（操作系统）学习笔记（一）---- 操作系统介绍与接口示例
操作系统入门系列-MIT6.828（操作系统工程）学习笔记（二）----课程实验环境搭建（wsl2+ubuntu+quem+xv6）

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文章摘要

本文对应MIT的6.S828，操作系统系列课程的第一节，“Introduction and Examples”。公开课的视频链接为：链接: 【操作系统工程】精译【MIT 公开课 MIT6.828】
本文主要讲解了操作系统的概念，以及基于xv6（课程自己设计的操作系统，基于Unix设计风格）进行内核接口的展示示例

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一、操作系统介绍

1.大概理解操作系统

个人理解而言，操作系统就是对各种硬件资源的抽象，这些抽象能够让人们更好的使用各种硬件资源的各种功能。操作系统虽然本身是软件，但是它也可以理解为软件与硬件之间的桥梁，是一种特殊的底层的软件系统。

下图展示了操作系统在计算机软件架构中所处的位置和功能。

2.操作系统的特性

课程的讲义上给出了操作系统的功能：

• Support applications
• Abstract the hardware for convenience and portability
• Multiplex the hardware among multiple applications
• Isolate applications in order to contain bugs
• Allow sharing among applications
• Provide high performance

尝试理解操作系统，我们可以通过代入的方法。设想一下，如果我们要设计自己的操作系统，会实现一些什么功能。

1. 最核心的功能，也就是对 硬件资源的抽象 ，我们需要实现一些很方便的接口，来操控键盘、内存、屏幕等硬件设备。
2. 操作系统的一些 硬件资源 可能有很多的程序要使用，那么的 复用 也是操作系统需要实现的特性
3. 接着就可以想到会有多个应用程序在操作系统上同时运行，就需要具有实现 多进程 同时运行的 并发性
4. 那么多个应用程序之间的 隔离 、共享 也就显而易见了
5. 如果一些设备是很多人共同使用的，那么不同用户的隐私和数据安全是需要保证的，即 安全性

通过模拟设计的过程，我们就可以大概理解操作系统的特性，进而去理解更加准确的定义与概念。操作系统在刚开始被提出来的时候，可能仅仅是为了硬件抽象，随着应用和不断的迭代，操作系统的功能特性随着需求的发展而不断发展，最后有了今天的现代操作系统。随着需求和技术的变化，操作系统的特性可能会越来越丰富。

3.操作系统设计矛盾

操作系统的困难在于有很多的矛盾需要处理。在课程中，提到的矛盾如下：

1. 效率------抽象
2. 强大的功能------简单的接口
3. 灵活性------安全性

简单来谈一下为什么操作系统的设计会有很多的矛盾存在。逻辑上将，是由于操作系统本身就是作为桥梁，来连接软件和硬件两个不同的设计世界。大部分芯片都是要同时支持很多个软件程序，那么不同的软件程序对于硬件资源的使用需求不同，有的软件程序需要极致的性能；有点软件程序需要好的可移植性，能够在多种硬件平台很方便的运行，众多不同的需求注定会构成矛盾。那么作为桥梁的操作系统，就是需要考虑到所有软件程序的需求，结合实际情况处理好各种对硬件资源需求的矛盾。

最后，结合各种功能软件的实际需求，课程将操作系统的矛盾抽象总结出上面三点。1. 效率与抽象。效率可以理解为软件程序完成一个功能所需要的运行时间，不同程序有不同的效率，比如大部分情况下，Python运行的效率就低于C语言。抽象的意思是将硬件资源封装成接口的封装程度，也可以理解为接口函数功能的复杂程度。2.强大的功能与简单的接口。这个矛盾个人认为与“效率与抽象”在逻辑上是一致的，就是复杂的功能接口必然会带来额外的开销。3.灵活性与安全性。这个矛盾是从访问权限的角度来引出的，接口的灵活意味着对硬件资源的随意调用，但是我们有时候并不想让没有权限的人随意访问硬件资源（特别是存储机密隐私文件的存储资源）。

二、xv6接口示例

xv6是该课程自行设计的操作系统，与现今广泛使用的Linux、IOS都有几乎一致的设计风格，作为入门来讲有很高的学习价值。第一节课演示了一些接口的设计和调用，有一些知识点和巧妙的设计值得思考。下面是课程给的xv6的说明文档的中文翻译：
链接: xv6 中文文档

1.进程创建

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"int main()
{int pid;pid = fork();printf("fork() returned %d\n", pid);if(pid == 0){printf("child\n");}else{printf("parent\n");}exit(0);
}

结果如下图：

fork函数是xv6内核实现的操作系统接口，用处是在当前父进程的基础上开启一个子进程，该子进程的内存内容（指令、数据、栈）复制于父进程。也就是说，子进程会从“fork()”处，往后执行与父进程一样的代码。子进程与父进程的不同点是：父进程中，fork()函数返回的是子进程的进程号（pid）;而子进程中，fork()函数返回是0。

那么通过pid号的区别，我们可以用if else语句控制子进程和父进程执行不一样的功能，尽管他们的指令是一样的。

上面的运行结果来自课程截图，因为要运行上述代码需要配置运行环境，在环境中启动xv6操作系统，才能“include”对应的软件包。

2.进程替换

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"int main()
{//构造一个命令字符串，结尾的0代表字符串的结束//命令字符串的第一个元素为进程文件的名字char *argv[] = { "echo", "this", "is", "echo", 0};//调用进程替换函数，用“echo”进程（程序）替换掉当前进程//echo 会将argv中的参数内容打印exec("echo", argv);//进程成功替换，将不会打印这个printf("exec failed!\n");exit(0);
}

结果如下图：

由图可知，echo的功能是打印参数内容，exec完成了进程替换，最终执行的是echo的功能。

3.进程创建+进程替换（Shell）

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"int main()
{int pid, status;pid = fork();//子进程执行pid==0的情况if(pid == 0){char *argv[] = { "echo", "THIS", "IS", "ECHO", 0};exec("echo", argv);printf("exec faile\n");//unix 一般函数调用成功返回0；失败返回1exit(1);}//父进程执行elseelse{printf("parent waiting\n");//wait函数是阻塞至有一个子进程成功退出//子进程的返回值存储到status中wait(&status);printf("the child exited with status %d\n", status);}exit(0);
}

结果如下图：

这个程序实现的功能就是在当前进程执行过程中，跳转到另一个指定进程执行，执行完成后再返回。这个功能也就是Shell所实现的命令行控制。Shell相当于父进程，输入一个命令就是在从Shell跳转到另一个子进程执行。这个跳转本质上是用fork+exec实现的。

那么为什么 fork 和 exec 为什么没有被合并成一个调用，接下来会讲解，将创建进程——加载程序分为两个过程是一个非常机智的设计。

4.IO重定向

在 Linux 下，I/O 重定向可以称为是命令行最酷的特性了。命令的输入可以来自于键盘或者文件，输出可以打印在终端模拟器，也可以打印到文件，这里就需要用到 I/O 的重定向特性，利用 I/O 的重定向功能还可以实现强大的命令管道。

下面通过一组示例展示IO重定向的实现过程

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"int main()
{int pid;pid = fork();if(pid == 0){//关闭文件描述符1，即标准输出close(1);//由于1被关闭，open会将最小的文件描述符分配给打开的文件//因此output的文件描述符就是1//那么echo是将参数输出到标准输出//这就实现了标准输出的替换open("output.txt", O_WRONLY|O_CREATE);char *argv[] = {"echo", "this", "is", "redirect", "echo", 0};exec("echo", argv);printf("exec failed\n");exit(1);}else{//传入空指针，意味着不返回状态wait((int *) 0);}exit(0);
}

结果如下图：

正是将创建进程（fork）——替换程序（exec）分为两个过程，这样子进程就可以再被替换之前，执行一些指令完成重定向。

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总结

一边学习课程一边总结，理解不对和不深入的地方恳请各位读者指正。