【OS】BUAA-OS-Lab6-实验报告

OS Lab实验报告

思考题

Thinking 6.1

示例代码中，父进程操作管道的写端，子进程操作管道的读端。如果现在想让父进程作为“读者”，代码应当如何修改？
答：交换case和default即可

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#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int fildes[2];
char buf[100];
int status;
int main()
{
    status = pipe(fildes);

    if (status == -1) {
        printf("error\n");
    }

    switch (fork()) {
    case -1:
        break;
    case 0: /*子进程-作为管道的写者*/
        close(fildes[0]); 
        write(fildes[1], "Hello world\n", 12); 
        close(fildes[1]); 
        exit(EXIT_SUCCESS);

    default: /*父进程-作为管道的读者*/
        close(fildes[1]); 
        read(fildes[0], buf, 100); 
        printf("father-process read:%s\n", buf); 
        close(fildes[0]); 
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
}

Thinking 6.2

上面这种不同步修改 pp_ref 而导致的进程竞争问题在 user/lib/fd.c 中的 dup 函数中也存在。请结合代码模仿上述情景，分析一下我们的 dup 函数中为什么会出现预想之外的情况？
答：在以下这种情况下：

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pipe(p);
if (fork() == 0) {
    read(p[0], buf, sizeof(buf));
} else {
 dup(p[0], newfd);
    write(p[1], "a", 5);
}

可能会出现以下问题：
父进程执行 dup(p[0], newfd)， pageref(p[0]) 变为2，尚未更新管道数据块的 pp_ref。子进程执行 read(p[0], buf, sizeof(buf)) ，发现 pageref(p[0])为2，子进程退出。父进程继续执行 write(p[1], "a", 5),子进程退出 read，父进程 write 可能永远无法结束。
问题主要是由于修改pp_ref不是原子操作。

Thinking 6.3

阅读上述材料并思考：为什么系统调用一定是原子操作呢？如果你觉得不是所有的系统调用都是原子操作，请给出反例。希望能结合相关代码进行分析说明。
答：MOS中系统调用是原子的，在系统调用前关闭了中断，同时其他进程也无法进入内核，所以系统调用是原子的

Thinking 6.4

仔细阅读上面这段话，并思考下列问题

  • 按照上述说法控制 pipe_close 中 fd 和 pipeunmap 的顺序，是否可以解决上述场景的进程竞争问题？给出你的分析过程。
  • 我们只分析了 close 时的情形，在 fd.c 中有一个 dup 函数，用于复制文件描述符。试想，如果要复制的文件描述符指向一个管道，那么是否会出现与 close 类似的问题？请模仿上述材料写写你的理解。
    答：
  • 可以，先 unmap fd，减少 pageref(fd)，再 unmap pipe，减少 pageref(pipe)，保证 pageref(pipe) >= pageref(fd)始终成立。其他进程不会观察到 pageref(fd) > pageref(pipe) ，不会误判管道状态。
  • 会出现类似问题，dup 先增加 pageref(fd)，后增加 pageref(pipe)，中间状态可能出现 pageref(fd) > pageref(pipe)。其他进程如果观察到这一状态，会误判管道的一端已关闭。

Thinking 6.5

  • 认真回看 Lab5 文件系统相关代码，弄清打开文件的过程。
  • 回顾 Lab1 与 Lab3，思考如何读取并加载 ELF 文件。
  • 在 Lab1 中我们介绍了 data text bss 段及它们的含义，data 段存放初始化过的全局变量，bss 段存放未初始化的全局变量。关于 memsize 和 filesize，我们在 Note 1.3.4 中也解释了它们的含义与特点。关于 Note 1.3.4，注意其中关于“ bss 段并不在文件中占数据”表述的含义。回顾 Lab3 并思考：elf_load_seg() 和load_icode_mapper() 函数是如何确保加载ELF文件时，bss 段数据被正确加载进虚拟内存空间。bss 段在 ELF 中并不占空间，但 ELF 加载进内存后，bss段的数据占据了空间，并且初始值都是 0。请回顾 elf_load_seg() 和 load_icode_mapper() 的实现，思考这一点是如何实现的？

    下面给出一些对于上述问题的提示，以便大家更好地把握加载内核进程和加载用户进程的区别与联系，类比完成 spawn 函数。

    关于第一个问题，在 Lab3 中我们创建进程，并且通过 ENV_CREATE(...) 在内核态加载了初始进程，而我们的 spawn函数则是通过和文件系统交互，取得文件描述块，进而找到 ELF 在“硬盘”中的位置，进而读取。

    关于第二个问题，各位已经在 Lab3 中填写了 load_icode 函数，实现了 ELF 可执行文件中读取数据并加载到内存空间，其中通过调用 elf_load_seg 函数来加载各个程序段。在 Lab3 中我们要填写 load_icode_mapper 回调函数，在内核态下加载 ELF 数据到内存空间；相应地，在 Lab6 中 spawn 函数也需要在用户态下使用系统调用为 ELF 数据分配空间。
    答：

  • 先调用 open() 函数，然后调用 fdipc_open() 联系文件服务进程，文件服务进程接收到消息后调用 serve_open() ，创建文件，打开文件，传递回FileFd 。
  • 解析ELF头获取程序头表位置，读程序头表定位LOAD段，遍历LOAD段，调用elf_load_seg()，调用load_icode_mapper()分配物理页；文件数据段：复制内容到内存；BSS段：分配零初始化页。
  • BSS中 filesize=0 ，memsize>0。elf_load_seg() 发现 bin_size < mem_size 时，调用 load_icode_mapper(NULL, size) ，进行 page_insert ，保证有足够空间放置 bss ，同时设置 src = NULL 得到设置初始值为 0。

Thinking 6.6

通过阅读代码空白段的注释我们知道，将标准输入或输出定向到文件，需要我们将其 dup 到 0 或 1 号文件描述符（fd）。那么问题来了：在哪步，0 和 1 被“安排”为标准输入和标准输出？请分析代码执行流程，给出答案。
答：

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// stdin should be 0, because no file descriptors are open yet
 if ((r = opencons()) != 0) {
  user_panic("opencons: %d", r);
 }
 // stdout
 if ((r = dup(0, 1)) < 0) {
  user_panic("dup: %d", r);
 }
  • fd = 0: 打开控制台设备，返回文件描述符，未打开任何 fd，opencons() 返回最小可用 fd，验证返回值为 0，确保fd = 0指向控制台输入。
  • fd = 1: 复制 fd = 0 文件表项到 fd = 1，使 fd = 1 与 fd = 0 指向同一控制台设备，将标准输出定向到控制台。

Thinking 6.7

在 shell 中执行的命令分为内置命令和外部命令。在执行内置命令时 shell 不需要 fork 一个子 shell，如 Linux 系统中的 cd 命令。在执行外部命令时 shell 需要 fork 一个子 shell，然后子 shell 去执行这条命令。
据此判断，在 MOS 中我们用到的 shell 命令是内置命令还是外部命令？请思考为什么 Linux 的 cd 命令是内部命令而不是外部命令？
答：内置命令是shell的功能，不需要创建新的进程；外部命令是磁盘上的程序，需要创建新的进程来执行。MOS中的shell为外部命令。在sh.c的主循环中，无论何种命令，shell都会先执行fork()创建子进程，再通过runcmd()执。这说明所有命令都在子进程中运行，是外部命令。cd是内置命令，如果是外部命令，在子进程中执行，目录变更不会影响父shell。

Thinking 6.8

在你的 shell 中输入命令 ls.b | cat.b > motd。

  • 请问你可以在你的 shell 中观察到几次 spawn？分别对应哪个进程？
  • 请问你可以在你的 shell 中观察到几次进程销毁？分别对应哪个进程？
    答：观察到两次 spawn ，第一次生成运行 ls.b 的进程;第二次生成运行 cat.b 的进程。观察到四次进程销毁。

难点分析

我认为本次实验并不简单，难点主要是管道关闭存在的竞态条件，但是通过对其解决方案的学习可以帮助理解这些问题。同时Shell的实现也需要仔细思考，理解好ELF文件的加载。

实验体会

终于完成了操作系统课程的最后一个Lab，顿感身心轻松，通过本学习的学习，我对于操作系统这座大厦如何拔地而起有了更深刻的了解，也不禁为其中的设计智慧而感叹。虽然课程已经结束，但是对于操作系统的学习不会停止，继续努力！

原创性说明

本报告为本人原创

技术
#OS #Lab6
【OS】BUAA-OS-Lab6-实验报告
http://example.com/2025/06/13/【OS】BUAA-OS-Lab6-实验报告/
作者
mRNA
发布于
2025年6月13日
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