MIT 6. S081 LEC1

课程资源：[中文课件](1.10 I/O Redirect | MIT6.S081)阅读材料CN[官网](6.S081 / Fall 2021)

Lec01 Introduction and Examples

整体介绍

课程目标：理解操作系统的设计（整体的结构）和实现（代码长什么样）

操作系统能干嘛？

1. Abstraction：第一个就是抽象硬件(进程，文件系统)
2. multiplex：在多个应用程序之间共用硬件资源
3. Isolation：不同的活动之间不能相互干扰
4. Sharing：数据能共享
5. Security：所以在共享的同时，我们也希望在没有必要的时候不共享
6. Performance：帮助应用程序获得高性能

Kernel是什么

ChatGPT 说：

在操作系统里，Kernel（内核） 就是 操作系统的核心部分。它负责直接和硬件打交道，并为上层的软件（应用程序）提供运行环境。可以把它理解成：

👉 硬件（CPU、内存、磁盘、网卡等）和应用程序之间的“中间层”。

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内核的主要功能：

1. 进程管理（Process Management）

   • 创建、销毁、调度进程（决定哪个程序先用 CPU）。
   • 提供进程间通信（IPC）。

2. 内存管理（Memory Management）

   • 给进程分配和回收内存。

   • 提供虚拟内存机制，让每个进程“以为”自己有独占的内存空间。

3. 文件系统管理（File System Management）

   • 组织和管理磁盘上的数据。

   • 提供统一的文件接口（打开、读写、关闭文件），屏蔽底层存储细节。

4. 设备管理（Device Management）

   • 管理硬件设备（打印机、键盘、网卡等）。

   • 通过 驱动程序 把设备差异封装起来，对上层提供统一的接口。

5. 系统调用接口（System Call Interface）

   • 给用户程序提供调用内核功能的“入口”。

   • 比如 read(), write(), fork()，都是系统调用。

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类比理解

• 用户程序 = 乘客

• 硬件 = 汽车

• 内核 = 司机

  • 用户程序不会直接“开车”，而是通过“司机”（内核）发出请求。

  • 内核负责真正操作硬件，让系统安全、稳定地运行。

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要不要我给你画一个 图解（应用程序 → 内核 → 硬件的关系），这样更直观？

read,write,exit 系统调用

read

如果你看第13行的read，它接收3个参数：

• 第一个参数是文件描述符，指向一个之前打开的文件。Shell会确保默认情况下，当一个程序启动时，文件描述符0连接到console的输入，文件描述符1连接到了console的输出。所以我可以通过这个程序看到console打印我的输入。当然，这里的程序会预期文件描述符已经被Shell打开并设置好。这里的0，1文件描述符是非常普遍的Unix风格，许多的Unix系统都会从文件描述符0读取数据，然后向文件描述符1写入数据。

• read的第二个参数是指向某段内存的指针，程序可以通过指针对应的地址读取内存中的数据，这里的指针就是代码中的buf参数。在代码第10行，程序在栈里面申请了64字节的内存，并将指针保存在buf中，这样read可以将数据保存在这64字节中。

• read的第三个参数是代码想读取的最大长度，sizeof(buf)表示，最多读取64字节的数据，所以这里的read最多只能从连接到文件描述符0的设备，也就是console中，读取64字节的数据。

open

open系统调用会返回一个新分配的文件描述符，这里的文件描述符是一个小的数字，可能是2，3，4或者其他的数字。

之后，这个文件描述符作为第一个参数被传到了write，write的第二个参数是数据的指针，第三个参数是要写入的字节数。数据被写入到了文件描述符对应的文件中。

文件描述符本质上对应了内核中的一个表单数据。内核维护了每个运行进程的状态，内核会为每一个运行进程保存一个表单，表单的key是文件描述符。这个表单让内核知道，每个文件描述符对应的实际内容是什么。这里比较关键的点是，每个进程都有自己独立的文件描述符空间，所以如果运行了两个不同的程序，对应两个不同的进程，如果它们都打开一个文件，它们或许可以得到相同数字的文件描述符，但是因为内核为每个进程都维护了一个独立的文件描述符空间，这里相同数字的文件描述符可能会对应到不同的文件。

Shell

• ls > out 重定向
• grep x < out 注：grep x会搜索输入中包含x的行

fork系统调用

在第12行，我们调用了fork。fork会拷贝当前进程的内存，并创建一个新的进程，这里的内存包含了进程的指令和数据。之后，我们就有了两个拥有完全一样内存的进程。fork系统调用在两个进程中都会返回，在原始的进程中，fork系统调用会返回大于0的整数，这个是新创建进程的ID。而在新创建的进程中，fork系统调用会返回0。所以即使两个进程的内存是完全一样的，我们还是可以通过fork的返回值区分旧进程和新进程。

在第16行，你可以看到代码检查pid。如果pid等于0，那么这必然是子进程。

![[Pasted image 20250912172542.png]]
输出看起来像是垃圾数据。这里实际发生的是，fork系统调用之后，两个进程都在同时运行

exec,wait 系统调用

exec 函数要求参数以数组形式传递，且数组第一个元素必须是程序名（通常与执行的程序名一致），后续元素才是实际要传递的参数，最后以 0（或 NULL）结尾。
例如代码中的 argv[] = { "echo", "this", "is", "echo", 0 }：

• 第一个元素 "echo" 是程序名（相当于命令行中输入的 echo）
• 后面的 "this"、"is"、"echo" 才是真正传递给 echo 程序的参数

对于那些想要运行程序，但是还希望能拿回控制权的场景，可以先执行fork系统调用，然后在子进程中调用exec。

Unix提供了一个wait系统调用，如第20行所示。wait会等待之前创建的子进程退出。

学生提问：为什么父进程在子进程调用exec之前就打印了“parent waiting”？

Robert教授：这里只是巧合。父进程的输出有可能与子进程的输出交织在一起，就像我们之前在fork的例子中看到的一样，只是这里正好没有发生而已。并不是说我们一定能看到上面的输出，实际上，如果看到其他的输出也不用奇怪。我怀疑这里背后的原因是，exec系统调用代价比较高，它需要访问文件系统，访问磁盘，分配内存，并读取磁盘中echo文件的内容到分配的内存中，分配内存又可能需要等待内存释放。所以，exec系统调用背后会有很多逻辑，很明显，处理这些逻辑的时间足够长，这样父进程可以在exec开始执行echo指令之前完成输出。这样说得通吧？

I/O Redirect

Shell之所以有echo hello > out 重定向的能力 ，是因为Shell首先会像第13行一样fork，然后在子进程中，Shell改变了文件描述符。文件描述符1通常是进程用来作为输出的（也就是console的输出文件符），Shell会将文件描述符1改为output文件，之后再运行你的指令。同时，父进程的文件描述符1并没有改变。所以这里先fork，再更改子进程的文件描述符，是Unix中的常见的用来重定向指令的输入输出的方法，这种方法同时又不会影响父进程的输入输出。因为我们不会想要重定向Shell的输出，我们只想重定向子进程的输出