操作系统MIT6.S081：[xv6参考手册第2章]-＞操作系统组织结构

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已于 2022-06-07 10:57:43 修改 · 1.7k 阅读

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#架构 #unix #服务器 #linux #risc-v

于 2022-06-06 17:21:58 首次发布

本文是MIT6.S081操作系统课程的学习笔记，主要探讨了操作系统如何通过多路复用、隔离和交互来满足需求。文章介绍了宏内核设计，强调了用户模式、管理员模式和系统调用在实现进程隔离中的作用。xv6操作系统采用宏内核结构，通过进程抽象实现资源隔离，并详细描述了xv6的启动过程和进程管理。

本系列文章为MIT6.S081的学习笔记，包含了参考手册、课程、实验三部分的内容，前面的系列文章链接如下
操作系统MIT6.S081：[xv6参考手册第1章]-＞操作系统接口
 操作系统MIT6.S081：P1->Introduction and examples
操作系统MIT6.S081：Lab1->Unix utilities

前言

操作系统需要满足三大要求：多路复用、隔离、交互。

操作系统的一个关键要求是支持并发。例如，通过使用系统调用接口fork，一个进程可以创建出一个新的子进程。
操作系统必须在进程之间分时共享计算机资源。例如，即使进程数多于CPU的核心数，操作系统也必须确保所有进程都有机会执行。
操作系统还必须使进程之间具有隔离性，也就是说如果一个进程发生错误或故障，它不应该影响其它不依赖于该错误进程的其它进程。
完全的隔离也不太合适，因为进程之间有时需要交互，例如管道。

前言

①本章概述了如何组织操作系统来实现这三个要求。事实证明有很多方法可以做到这一点，但本文重点关注宏内核这一主流设计(许多Unix操作系统都使用宏内核)。本章还对xv6的进程(xv6中的隔离单元)和xv6启动时第一个进程的创建过程进行了概述。
②xv6运行在一颗多核RISC-V微处理器上，它的许多低级功能(如进程实现)是特定于RISC-V的。RISC-V是64位CPU，xv6是用LP64 C写的，这意味着C语言中的long(L)和pointer§是64位，而int是32位。本书假设读者已经对某些架构进行了一些机器级编程，并将在这些架构出现时介绍RISC-V特定的想法。
③计算机中的CPU被其所支持的硬件所包围，其中大部分以I/O接口的形式存在。xv6是以qemu的-machine virt选项模拟的硬件上编写的。这包括RAM、包含引导代码的 ROM、与用户键盘/屏幕的串行连接以及用于存储的磁盘。

一、抽象物理资源

应用程序直接与硬件交互

遇到操作系统时，人们可能会问的第一个问题是为什么需要它？也就是说，可以将图1.2中的系统调用实现为一个库，将应用程序与之链接。在这种设计中，每个应用程序甚至可以有自己的库来满足其需求。应用程序可以直接与硬件资源交互，并以最优的方式使用这些资源(例如实现高性能或可预测的性能)。一些嵌入式设备或实时系统的操作系统就是以这种方式组织的。

这种方法的缺点： 如果有多个应用程序在运行，则应用程序必须表现良好。例如，每个应用程序必须定期释放对CPU的占用，以便其他应用程序可以运行。如果所有应用程序相互信任并且没有错误，这种协作分时方案可能是可行的。但是一般来说，应用程序之间不信任彼此并且容易存在bug，因此需要为这些应用程序提供强隔离性。

抽象硬件资源

①为了实现强隔离、禁止应用程序直接访问敏感的硬件资源，将硬件资源抽象为服务是很有帮助的。例如，Unix的应用程序仅通过文件系统的open、read、write和close系统调用与存储硬件交互，而不是让应用程序直接读写磁盘。这为应用程序提供了便利的路径名，并允许操作系统(作为接口的实现者)管理磁盘。即使隔离性不是问题，有意交互的程序(或只是希望彼此远离)也可能会发现使用文件系统比直接使用磁盘更方便和抽象。
②同样，Unix透明地在进程之间切换CPU，并根据需要来保存和恢复寄存器状态，因此应用程序不必知道时间共享。即使某些应用程序处于无限循环中，这种透明性也允许操作系统共享CPU。
③另一个例子，Unix进程使用exec来构建它们的内存图像，而不是直接与物理内存交互。这允许操作系统决定进程在内存中存放的位置。如果内存资紧张，操作系统甚至可能将一些进程的数据存储在磁盘上。exec还为用户提供了便利的文件系统来存储可执行程序图像。
④Unix进程之间的交互形式大部分都是通过文件描述符实现的。文件描述符不仅抽象了许多细节(例如，管道或文件中的数据存储在哪里)，还简化了交互的方式。例如，如果管道中的一个应用程序出错，内核会为管道中的下一个进程生成文件结束信号。
最后： 图1.2中的系统调用接口经过精心设计，既方便了程序员，又提供了强隔离性。Unix接口不是抽象资源的唯一方法，但它已被证明是一种非常好的方法。