【MIT 6.S081】2020, 实验记录（1），Lab: Xv6 and Unix utilities

实验准备

这个 lab 用来学习尝试如何通过 system call 来实现常见的 shell 命令行程序，比如 ls、sleep、xargs 等。

• 实验官网

可以使用 docker 搭建实验环境：

docker pull debian:bullseye
docker run -it --name mit6.s081 -d debian:bullseye /bin/bash

然后按照实验官网的介绍，在 git 下载源代码并启动。

Tasks

Task 1: Boot xv6

这个 task 就是在 git 上下载源代码，并启动 xv6 系统：

$ make qemu

成功后就可以看到 OS 成功启动。

Task 2: sleep

本 task 以及接下来的 task，都是在 /user 目录下实现用户级程序。

这个 task 新建一个 user/sleep.c，并通过调用 system call 来实现睡眠的功能，代码较为简单：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"int
mian(int argc, char *argv[])
{if (argc < 2) {fprintf(2, "Usage: sleep ticks...\n");exit(1);}int ticks = atoi(argv[1]);sleep(ticks);  // 系统调用的 sleep，声明在 `user/user.h` 中exit(0);
}

完成后在 Makefile 中的 UPROGS 里添加上 sleep。

测试：

./grade-lab-util sleep

Task 3: pingpong

通过该 task 学会 fork 一个子进程，并实现父进程与子进程的通信。

我们需要实现 fork 一个子进程，并让父进程向子进程发送一个字节，然后子进程再向父进程发送一个字节。

关键技术细节：

• 使用 pipe 函数建立用于进程间通信的通道：

int fds[2];
pipe(fds);

这里 fds[0] 用于 read，fds[1] 用于 write，每个进程在使用完某个 fd 后需要 close 掉 fd。

• read() 函数的行为：在另一方未关闭写的 fd 时，自己读取且没有更多消息时会阻塞住；而在另一方关闭了写的 fd 且自己没有更多消息可以读时，会立刻返回 0.

代码实现：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"int
main(int argc, char *argv[])
{int fds[2], pid, n, xstatus;enum { BYTE_SZ=1 };if (pipe(fds) != 0) {printf("pipe() failed\n");exit(1);}pid = fork();if (pid > 0) {  // parent proc// 向子进程发送一个字节char parent_buf[BYTE_SZ];if (write(fds[1], "x", BYTE_SZ) != BYTE_SZ) {printf("pingpong oops 1\n");exit(1);}// 等待子进程结束wait(&xstatus);if (xstatus != 0) {exit(xstatus);}// 读取子进程发送过来的字节while ((n = read(fds[0], parent_buf, BYTE_SZ)) > 0) {if (parent_buf[0] != 'x') {printf("pingpong oops 2\n");exit(1);}printf("%d: received pong\n", getpid());close(fds[0]);close(fds[1]);exit(0);}} else if (pid == 0) {  // child proc// 等待读取父进程发送的字节char child_buf[BYTE_SZ];while ((n = read(fds[0], child_buf, BYTE_SZ)) > 0) {if (child_buf[0] != 'x') {printf("pingpong oops 2\n");exit(1);}printf("%d: received ping\n", getpid());// 向父进程发送一个字节if (write(fds[1], "x", BYTE_SZ) != BYTE_SZ) {printf("pingpong oops 2\n");exit(1);}close(fds[0]);close(fds[1]);exit(0);}} else {printf("fork() failed\n");exit(1);}exit(0);
}

测试：

Task 4: primes

这里需要使用 fork 子进程和进程间通信的技术实现 2~35 以内质数的筛选。

思路如下：

大致就是：

• 第一个进程将 2~35 写入管道
• 然后 fork 第二个进程，逐个从管道中读出数字，再将符合条件的数字送入下一个管道给第三个进程
• 第三个进程类似…

代码实现如下：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"#define INT_SIZE (sizeof(int))
#define MAX_LIMIT  35
#define READ_END 0
#define WRITE_END 1int
main(int argc, char *argv[])
{int fds1[2], fds2[2], n, p, xstatus, pid;int *left_fds = fds1;  // 左通道int *right_fds = fds2; // 右通道if (pipe(left_fds) != 0 || pipe(right_fds) != 0) {printf("pipe() failed\n");exit(1);}// feed numbersfor (int i = 2; i < MAX_LIMIT; ++i) {write(left_fds[WRITE_END], &i, INT_SIZE);}close(left_fds[WRITE_END]);int first_loop = 1;while (1) {int is_success = read(left_fds[READ_END], &n, INT_SIZE);  // read from leftif (is_success == 0) {   // if read endclose(left_fds[READ_END]);close(right_fds[READ_END]);close(right_fds[WRITE_END]);if (first_loop != 1) {wait(&xstatus);exit(xstatus);} else {exit(0);}}// 如果是第一次进入 Loop，则需要打印 prime 并创建一个子进程if (first_loop == 1) {pid = fork();if (pid == 0) {  // child procfirst_loop = 1;close(left_fds[READ_END]);close(left_fds[WRITE_END]);int *temp = left_fds;left_fds = right_fds;right_fds = temp;if (pipe(right_fds) != 0) {printf("pipe() failed\n");exit(1);}close(left_fds[WRITE_END]);continue;} else if (pid > 0) {  // parent procfirst_loop = 0;p = n;printf("prime %d\n", p);continue;} else {printf("fork() failed\n");exit(1);}} else {if ((n % p) != 0) {write(right_fds[WRITE_END], &n, INT_SIZE);}}}
}

测试：

Task 5: find

find 命令实现在一个目录中递归地寻找特定名的文件。

在代码实现中，需要对子目录进行递归查询，这里对文件和目录的遍历可以参考 ls.c 中的代码。代码实现如下：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fs.h"/*** 获取一个 path 的名称，比如 `./a/b` 将返回 `b`
*/
char* fmtname(char *path)
{static char buf[DIRSIZ+1];char *p;// Find first character after last slash.for(p=path+strlen(path); p >= path && *p != '/'; p--);p++;// Return blank-padded name.if(strlen(p) >= DIRSIZ)return p;memmove(buf, p, strlen(p));buf[strlen(p)] = '\0';return buf;
}void find(char *path, char const * const target) {int fd;struct dirent de;struct stat st;if ((fd = open(path, 0)) < 0) {fprintf(2, "find: cannot open %s\n", path);return;}if (fstat(fd, &st) < 0) {fprintf(2, "find: cannot open %s\n", path);close(fd);return;}switch (st.type) {case T_FILE: {char *fname = fmtname(path);if (strcmp(fname, target) == 0) {printf("%s\n", path);}break;}case T_DIR: {char buf[512], *p;if (strlen(path) + 1 + DIRSIZ + 1 > sizeof(buf)) {printf("find: path too long\n");break;}strcpy(buf, path);p = buf + strlen(buf);*p++ = '/';while (read(fd, &de, sizeof(de)) == sizeof(de)) {if (de.inum == 0)continue;memmove(p, de.name, DIRSIZ);p[DIRSIZ] = 0;if (stat(buf, &st) < 0) {printf("find: cannot stat %s\n", buf);continue;}char* dir_name = fmtname(buf);if (strcmp(dir_name, ".") != 0 && strcmp(dir_name, "..") != 0) {find(buf, target);}}break;}}close(fd);
}int
main(int argc, char *argv[])
{if (argc < 2) {fprintf(2, "Usage: find path file\n");exit(1);}char *path = argv[1];char const *target = argv[2];find(path, target);exit(0);
}

实验测试：

Task 6: xargs

先解释一下这个命令的作用，以下面这个示例为例：

$ echo hello too | xargs echo bye
bye hello too
$

把 | 前面命令的 stdout 输出当作 xargs 命令的 stdin，然后 xargs 依次读取 stdin 的每一行，把每一行拼到 xargs 后面“echo byte”字符串后面并当成一个命令来执行。所以上面这个命令执行的结果等价于 xargs echo bye hello too。

再举一个例子，比如 echo "1\n2" | xargs echo bye 的执行结果，相当于依次执行 echo bye 1 和 echo bye 2。

在代码实现中，就是每次从 stdin 中读取一行，然后将其与 xargs 后面的字符串拼起来形成一个命令，fork 出一个子进程并交给 exec 来执行：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "kernel/param.h"
#include "user/user.h"#define STDIN 0
#define BUF_SZ 512static char buf[1024];
static char *args[MAXARG];
static int arg_num_init = 0;
static int argnum = 0;int readline(int fd) {char readbuf[2];argnum = arg_num_init;int offset = 0;while (1) {// 找到第一个非空字符while (1) {if (read(fd, readbuf, 1) != 1) {return 0;}if (readbuf[0] == '\n') {return 1;}if (readbuf[0] != ' ' && readbuf[0] != '\t') {args[argnum++] = buf + offset;buf[offset++] = readbuf[0];break;}}// 找到一个 argwhile (1) {if (read(fd, buf + offset, 1) != 1) {buf[offset] = '\0';return 0;}if (buf[offset] == '\n') {buf[offset] = '\0';return 1;}if (buf[offset] == ' ' || buf[offset] == '\t') {buf[offset++] = '\0';break;}++offset; }}
}int
main(int argc, char *argv[])
{int pid, status;if (argc < 2) {fprintf(2, "Usage: xargs command ...\n");exit(1);}char *command = argv[1];arg_num_init = argc - 1;args[0] = command;for (int i = 1; i < argc; i++) {args[i] = argv[i + 1];}int flag = 1;while (flag) {flag = readline(STDIN);args[argnum] = 0;if (flag == 0 && argnum == arg_num_init) {exit(0);}pid = fork();if (pid == 0) {exec(command, args);printf("exec failed!\n");exit(1);} else {wait(&status);}}exit(0);
}

实验测试：