MIT xv6操作系统中文教程：入门与核心概念详解

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xv6中文文档是一份由麻省理工学院(MIT)为教学目的开发的完整类Unix操作系统的学习资料，它被广泛用于MIT的操作系统课程6.828中。这个文档是中文翻译版本，为理解和分析操作系统内部机制提供了宝贵的参考，特别是对于对操作系统有浓厚兴趣的学生而言，深入研究xv6源代码能帮助他们掌握核心概念，如进程管理、内存管理、中断处理、驱动程序设计、并发控制、调度算法和文件系统等。文档详细介绍了以下内容： 1. **介绍**：文档首先概述了xv6的基本信息，包括其起源、目标和在教学中的应用价值，强调阅读源代码的重要性。 2. **目录**：列出文档的各个部分，包括章节标题，如第一章“第一个进程”到第十二章“附录APC硬件”，以及两个附录“引导加载器”和术语解释。 3. **操作系统接口**：这部分可能涵盖了用户和内核之间的交互方式，比如系统调用和系统参数的设置。 4. **进程管理**：从第一章开始，逐步深入讲解进程的创建、状态转换和上下文切换等内容。 5. **页表与内存管理**：第二章探讨内存的分配和保护，以及虚拟内存的概念。 6. **陷入、中断和驱动程序**：这部分讲解操作系统如何处理中断请求，以及硬件设备的驱动程序实现。 7. **并发控制**：第四章涉及锁的使用，确保多线程或多个进程的同步和互斥访问。 8. **调度**：第五章讨论进程调度算法，如抢占式和非抢占式调度，以及调度策略对系统性能的影响。 9. **文件系统**：第六章详细介绍文件系统的组织结构、文件操作和I/O管理。 10. **附录A**：关于硬件相关的补充信息，可能包含处理器架构和中断控制器的细节。 11. **附录B**：引导加载器的实现，涉及操作系统启动过程的关键步骤。 12. **术语**：提供专业术语的定义，方便读者理解复杂的操作系统概念。 13. **勘误**：记录文档中的错误和更新，保持内容的准确性和完整性。 14. **文档维护**：鼓励读者参与文档的翻译和审校，指出翻译中的问题并提出改进意见，通过GitHub协作完成。这份文档不仅适合学习操作系统的学生，也对系统开发者和研究人员有价值，因为它提供了一个实践操作系统的实际平台。同时，文档中的代码遵循MIT和GNU GPL V3.0许可证，保证了知识的开源和共享。

hello;echoworld)>output.txt。

dup复制一个已有的文件描述符，返回一个指向同一个输入/输出对象的新描述符。这两个描述符共享一个文件偏移，正如被

fork复制的文件描述符一样。这里有另一种打印“helloworld”的办法：

fd=dup(1);

write(1,"hello",6);

write(fd,"world\n",6);

从同一个原初文件描述符通过一系列fork和dup调用产生的文件描述符都共享同一个文件偏移，而其他情况下产生的文件

描述符就不是这样了，即使他们打开的都是同一份文件。dup允许shell像这样实现命令：lsexisting-filenon-exsiting-

file>tmp12>&1.2>&1告诉shell给这条命令一个复制描述符1的描述符2。这样existing-file的名字和non-exsiting-

file的错误输出都将出现在tmp1中。xv6shell并未实现标准错误输出的重定向，但现在你知道该怎么去实现它。

文件描述符是一个强大的抽象，因为他们将他们所连接的细节隐藏起来了：一个进程向描述符1写出，它有可能是写到一份文

件，一个设备（如控制台），或一个管道。

管道是一个小的内核缓冲区，它以文件描述符对的形式提供给进程，一个用于写操作，一个用于读操作。从管道的一端写的

数据可以从管道的另一端读取。管道提供了一种进程间交互的方式。

接下来的示例代码运行了程序wc，它的标准输出绑定到了一个管道的读端口。

intp[2];

char*argv[2];

argv[0]="wc";

argv[1]=0;

pipe(p);

if(fork()==0){

close(0);

dup(p[0]);

close(p[0]);

close(p[1]);

exec("/bin/wc",argv);

}else{

write(p[1],"helloworld\n",12);

close(p[0]);

close(p[1]);

}

这段程序调用pipe，创建一个新的管道并且将读写描述符记录在数组p中。在fork之后，父进程和子进程都有了指向管

道的文件描述符。子进程将管道的读端口拷贝在描述符0上，关闭p中的描述符，然后执行wc。当wc从标准输入读取

时，它实际上是从管道读取的。父进程向管道的写端口写入然后关闭它的两个文件描述符。

如果数据没有准备好，那么对管道执行的read会一直等待，直到有数据了或者其他绑定在这个管道写端口的描述符都已经关

闭了。在后一种情况中，read会返回0，就像是一份文件读到了最后。读操作会一直阻塞直到不可能再有新数据到来了，这

就是为什么我们在执行wc之前要关闭子进程的写端口。如果wc指向了一个管道的写端口，那么wc就永远看不到eof

了。

xv6shell对管道的实现（比如forksh.c|wc-l）和上面的描述是类似的（7950行）。子进程创建一个管道连接管道的左

右两端。然后它为管道左右两端都调用runcmd，然后通过两次wait等待左右两端结束。管道右端可能也是一个带有管道的

指令，如a|b|c,它fork两个新的子进程（一个b一个c），因此，shell可能创建出一颗进程树。树的叶子节点是

命令，中间节点是进程，它们会等待左子和右子执行结束。理论上，你可以让中间节点都运行在管道的左端，但做的如此精

确会使得实现变得复杂。

pipe可能看上去和临时文件没有什么两样：命令

管道

xv6中文文档

11第零章操作系统接口

echohelloworld|wc

可以用无管道的方式实现：

echohelloworld>/tmp/xyz;wc</tmp/xyz

但管道和临时文件起码有三个关键的不同点。首先，管道会进行自我清扫，如果是shell重定向的话，我们必须要在任务完

成后删除/tmp/xyz。第二，管道可以传输任意长度的数据。第三，管道允许同步：两个进程可以使用一对管道来进行二者之

间的信息传递，每一个读操作都阻塞调用进程，直到另一个进程用write完成数据的发送。

xv6文件系统提供文件和目录，文件就是一个简单的字节数组，而目录包含指向文件和其他目录的引用。xv6把目录实现为

一种特殊的文件。目录是一棵树，它的根节点是一个特殊的目录root。/a/b/c指向一个在目录b中的文件c，而b本身

又是在目录a中的，a又是处在root目录下的。不从/开始的目录表示的是相对调用进程当前目录的目录，调用进程的

当前目录可以通过chdir这个系统调用进行改变。下面的这些代码都打开同一个文件（假设所有涉及到的目录都是存在

的）。

chdir("/a");

chdir("b");

open("c",O_RDONLY);

open("/a/b/c",O_RDONLY);

第一个代码段将当前目录切换到/a/b;第二个代码片段则对当前目录不做任何改变。

有很多的系统调用可以创建一个新的文件或者目录：mkdir创建一个新的目录，open加上O_CREATE标志打开一个新的文

件，mknod创建一个新的设备文件。下面这个例子说明了这3种调用：

mkdir("/dir");

fd=open("/dir/file",O_CREATE|O_WRONGLY);

close(fd);

mknod("/console",1,1);

mknod在文件系统中创建一个文件，但是这个文件没有任何内容。相反，这个文件的元信息标志它是一个设备文件，并且记

录主设备号和辅设备号（mknod的两个参数），这两个设备号唯一确定一个内核设备。当一个进程之后打开这个文件的时

候，内核将读、写的系统调用转发到内核设备的实现上，而不是传递给文件系统。

fstat可以获取一个文件描述符指向的文件的信息。它填充一个名为stat的结构体，它在stat.h中定义为：

#defineT_DIR1

#defineT_FILE2

#defineT_DEV3

//Directory

//File

//Device

structstat{

shorttype;//Typeoffile

intdev;//Filesystem’sdiskdevice

uintino;//Inodenumber

shortnlink;//Numberoflinkstofile

uintsize;//Sizeoffileinbytes

};

文件名和这个文件本身是有很大的区别。同一个文件（称为inode）可能有多个名字，称为连接(links)。系统调用link

创建另一个文件系统的名称，它指向同一个inode。下面的代码创建了一个既叫做a又叫做b的新文件。

文件系统

xv6中文文档

12第零章操作系统接口

open("a",O_CREATE|O_WRONGLY);

link("a","b");

读写a就相当于读写b。每一个inode都由一个唯一的inode号直接确定。在上面这段代码中，我们可以通过fstat知

道a和b都指向同样的内容：a和b都会返回同样的inode号（ino），并且nlink数会设置为2。

系统调用unlink从文件系统移除一个文件名。一个文件的inode和磁盘空间只有当它的链接数变为0的时候才会被清空，

也就是没有一个文件再指向它。因此在上面的代码最后加上

unlink("a")，

我们同样可以通过b访问到它。另外，

fd=open("/tmp/xyz",O_CREATE|O_RDWR);

unlink("/tmp/xyz");

是创建一个临时inode的最佳方式，这个inode会在进程关闭fd或者退出的时候被清空。

xv6关于文件系统的操作都被实现为用户程序，诸如mkdir，ln，rm等等。这种设计允许任何人都可以通过用户命令拓展

shell。现在看起来这种设计是很显然的，但是Unix时代的其他系统的设计都将这样的命令内置在了shell中，而shell又是

内置在内核中的。

有一个例外，那就是cd，它是在shell中实现的（8016）。cd必须改变shell自身的当前工作目录。如果cd作为一个普

通命令执行，那么shell就会fork一个子进程，而子进程会运行cd，cd只会改变子进程的当前工作目录。父进程的工作

目录保持原样。

UNIX将“标准”的文件描述符，管道，和便于操作它们的shell命令整合在一起，这是编写通用、可重用程序的重大进步。这

个想法激发了UNIX强大和流行的“软件工具”文化，而且shell也是首个所谓的“脚本语言”。UNIX的系统调用接口在今天仍然

存在于许多操作系统中，诸如BSD，Linux，以及MacOSX。

现代内核提供了比xv6要多的多的系统调用和内核服务。最重要的一点，现代基于Unix的操作系统并不遵循早期Unix将设

备暴露为特殊文件的设计，比如刚才所说的控制台文件。Unix的作者继续打造Plan9项目，它将“资源是文件”的概念应用到

现代设备上，将网络、图形和其他资源都视作文件或者文件树。

文件系统抽象是一个强大的想法，它被以万维网的形式广泛的应用在互联网资源上。即使如此，也存在着其他的操作系统接

口的模型。Multics，一个Unix的前辈，将文件抽象为一种类似内存的概念，产生了十分不同的系统接口。Multics的设计的

复杂性对Unix的设计者们产生了直接的影响，他们因此想把文件系统的设计做的更简单。

这本书考察xv6是如何实现类似Unix的接口的，但涉及的想法和概念可以运用到Unix之外很多地方上。任何一个操作系统

都需要让多个进程复用硬件，实现进程之间的相互隔离，并提供进程间通讯的机制。在学习xv6之后，你应该了解一些其他

的更加复杂的操作系统，看一下他们当中蕴含的xv6的概念。

现实情况

xv6中文文档

13第零章操作系统接口

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杲昃

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