目录
- 实验准备
- Tasks
- Task 1: Boot xv6
- Task 2: sleep
- Task 3: pingpong
- Task 4: primes
- Task 5: find
- Task 6: xargs
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 1
int
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 numbers
for (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 left
if (is_success == 0) { // if read end
close(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 proc
first_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 proc
first_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 512
static 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 arg
while (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：
