MIT开源操作系统xv6中文文档

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"XV6中文文档" XV6中文文档是麻省理工学院为操作系统课编写的教学草案，通过名为xv6的操作系统内核来解释操作系统中主要概念。该文档是MIT xv6文档的中文翻译版本，旨在帮助读者更好地理解操作系统的核心概念。操作系统是计算机系统的核心组件，负责管理计算机的硬件资源和软件资源。操作系统的主要概念包括进程管理、内存管理、文件系统、输入/输出管理等。xv6操作系统是一个简单的类Unix操作系统，旨在帮助学生和开发者更好地理解操作系统的核心概念。阅读xv6中文文档可以帮助读者： 1. 了解操作系统的基本概念，包括进程、线程、进程间通信、同步和互斥等。 2. 了解操作系统的内存管理机制，包括虚拟内存、分页和分段等。 3. 了解操作系统的文件系统，包括文件系统的结构、文件的存储和访问等。 4. 了解操作系统的输入/输出管理机制，包括输入/输出设备、驱动程序和中断处理等。 xv6中文文档共分为14章节，分别是： 1. 介紹：介绍操作系统的基本概念和xv6操作系统的基本架构。 2. 封面：提供了xv6操作系统的概况和使用说明。 3. 前言：介绍操作系统的重要性和xv6操作系统的特点。 4. 第零章操作系统接口：介绍操作系统的基本概念和xv6操作系统的接口。 5. 第一章第一个进程：介绍进程的基本概念和xv6操作系统的进程管理机制。 6. 第二章页表：介绍xv6操作系统的内存管理机制，包括虚拟内存和分页等。 7. 第三章陷入，中断和驱动程序：介绍xv6操作系统的陷入、中断和驱动程序机制。 8. 第四章锁：介绍xv6操作系统的锁机制，包括互斥锁和信号量等。 9. 第五章调度：介绍xv6操作系统的调度机制，包括进程调度和线程调度等。 10. 第六章文件系统：介绍xv6操作系统的文件系统，包括文件系统的结构和文件的存储和访问等。 11. 附录APC硬件：介绍xv6操作系统的硬件架构，包括APC硬件和xv6操作系统的交互机制。 12. 附录B引导加载器：介绍xv6操作系统的引导加载器机制，包括引导过程和加载机制等。 13. 术语：提供了操作系统和xv6操作系统相关的术语解释。 14. 勘误：提供了xv6操作系统的勘误信息和错误修复方法。 xv6中文文档的翻译工作是由北京大学信息科学技术学院计算机系的同学们完成的，包括鲜染、赵天雨、胡树伟、曹扬等。该文档的许可证是GNUGPLV3.0，允许读者自由地使用和分发该文档。 xv6中文文档是学习操作系统的核心概念的不二之选，通过阅读该文档，读者可以深入了解操作系统的主要概念和xv6操作系统的实现机制。

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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文文小杰

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XV6阅读报告（包含进程线程、内存管理、文件系统和中断与系统调用）

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