实验：Xv6与Unix工具

本实验将让你熟悉xv6及其系统调用。

启动xv6

你可以在Athena机器上或你自己的电脑上完成这些实验。如果你使用自己的电脑，请查看实验工具页面获取设置提示。

如果你使用Athena，你必须使用x86机器；也就是说，uname -a应该显示i386 GNU/Linux或i686 GNU/Linux或x86_64 GNU/Linux。你可以使用ssh -X athena.dialup.mit.edu登录公共Athena主机。我们已经在Athena上为你设置好了相应的编译器和模拟器。要使用它们，运行add -f 6.828。每次登录时你必须运行此命令（或将其添加到你的~/.environment文件中）。如果在编译或运行qemu时遇到不明错误，请检查你是否添加了课程locker。

获取实验的xv6源代码并切换到util分支：

$ git clone git://g.csail.mit.edu/xv6-labs-2020
Cloning into 'xv6-labs-2020'...
...
$ cd xv6-labs-2020
$ git checkout util
Branch 'util' set up to track remote branch 'util' from 'origin'.
Switched to a new branch 'util'

xv6-labs-2020仓库与书中的xv6-riscv略有不同；它主要增加了一些文件。如果你好奇，可以查看git日志：

$ git log

本实验及后续实验所需的文件通过Git版本控制系统分发。上面你切换到了一个包含为本实验定制的xv6版本的分支（git checkout util）。要了解更多关于Git的知识，请查看Git用户手册，或者你可能会发现这个面向计算机科学家的Git概述很有用。Git允许你跟踪对代码所做的更改。例如，如果你完成了其中一个练习，想要保存进度，你可以通过运行以下命令来提交你的更改：

$ git commit -am 'my solution for util lab exercise 1'
Created commit 60d2135: my solution for util lab exercise 1
 1 files changed, 1 insertions(+), 0 deletions(-)
$

你可以使用git diff命令来跟踪你的更改。运行git diff将显示自上次提交以来对代码的更改，而git diff origin/util将显示相对于初始xv6-labs-2020代码的更改。这里，origin/xv6-labs-2020是你为课程下载的初始代码所在的git分支名称。

编译并运行xv6：

$ make qemu
riscv64-unknown-elf-gcc    -c -o kernel/entry.o kernel/entry.S
riscv64-unknown-elf-gcc -Wall -Werror -O -fno-omit-frame-pointer -ggdb -DSOL_UTIL -MD -mcmodel=medany -ffreestanding -fno-common -nostdlib -mno-relax -I. -fno-stack-protector -fno-pie -no-pie   -c -o kernel/start.o kernel/start.c
...  
riscv64-unknown-elf-ld -z max-page-size=4096 -N -e main -Ttext 0 -o user/_zombie user/zombie.o user/ulib.o user/usys.o user/printf.o user/umalloc.o
riscv64-unknown-elf-objdump -S user/_zombie > user/zombie.asm
riscv64-unknown-elf-objdump -t user/_zombie | sed '1,/SYMBOL TABLE/d; s/ .* / /; /^$/d' > user/zombie.sym
mkfs/mkfs fs.img README  user/xargstest.sh user/_cat user/_echo user/_forktest user/_grep user/_init user/_kill user/_ln user/_ls user/_mkdir user/_rm user/_sh user/_stressfs user/_usertests user/_grind user/_wc user/_zombie 
nmeta 46 (boot, super, log blocks 30 inode blocks 13, bitmap blocks 1) blocks 954 total 1000
balloc: first 591 blocks have been allocated
balloc: write bitmap block at sector 45
qemu-system-riscv64 -machine virt -bios none -kernel kernel/kernel -m 128M -smp 3 -nographic -drive file=fs.img,if=none,format=raw,id=x0 -device virtio-blk-device,drive=x0,bus=virtio-mmio-bus.0

xv6 kernel is booting

hart 2 starting
hart 1 starting
init: starting sh
$ 

如果在提示符处输入ls，你应该看到类似以下的输出：

$ ls
.              1 1 1024
..             1 1 1024
README         2 2 2059
xargstest.sh   2 3 93
cat            2 4 24256
echo           2 5 23080
forktest       2 6 13272
grep           2 7 27560
init           2 8 23816
kill           2 9 23024
ln             2 10 22880
ls             2 11 26448
mkdir          2 12 23176
rm             2 13 23160
sh             2 14 41976
stressfs       2 15 24016
usertests      2 16 148456
grind          2 17 38144
wc             2 18 25344
zombie         2 19 22408
console        3 20 0

xv6没有ps命令，但是，如果你按Ctrl-p，内核将打印每个进程的信息。如果你现在尝试，你会看到两行：一行是init的，一行是sh的。

要退出qemu，按：Ctrl-a x.

评分与提交流程

你可以运行make grade来用评分程序测试你的解决方案。助教将使用相同的评分程序来为你的实验提交评分。另外，我们还会有实验的检查会议（参见评分政策）。

实验代码附带GNU Make规则以简化提交流程。在提交实验的最终更改之后，输入make handin来提交你的实验。有关如何提交的详细说明，请参见下方。

sleep

一些提示：

• 在开始编码之前，阅读xv6书的第1章。
• 查看user/中的一些其他程序（例如user/echo.c、user/grep.c和user/rm.c），了解如何获取传递给程序的命令行参数。
• 如果用户忘记传递参数，sleep应该打印一条错误消息。
• 命令行参数以字符串形式传递；你可以使用atoi将其转换为整数（参见user/ulib.c）。
• 使用系统调用sleep。
• 参见kernel/sysproc.c中实现sleep系统调用的xv6内核代码（查找sys_sleep），user/user.h中可从用户程序调用的sleep的C定义，以及user/usys.S中从用户代码跳转到内核的sleep汇编代码。
• 确保main调用exit()以退出你的程序。
• 将你的sleep程序添加到Makefile中的UPROGS；完成后，make qemu将编译你的程序，你就可以从xv6 shell运行它了。
• 参阅Kernighan和Ritchie的书The C programming language (second edition)（K&R）来学习C语言。

从xv6 shell运行该程序：

      $ make qemu
      ...
      init: starting sh
      $ sleep 10
      (nothing happens for a little while)
      $
    

如果你的程序在如上所示运行时暂停，则你的解决方案是正确的。运行make grade来确认你确实通过了sleep测试。

请注意，make grade会运行所有测试，包括下面作业的测试。如果你只想运行一个作业的评分测试，请输入：

     $ ./grade-lab-util sleep
   

     $ make GRADEFLAGS=sleep grade
   

pingpong

一些提示：

• 使用pipe创建管道。
• 使用fork创建子进程。
• 使用read从管道读取，使用write向管道写入。
• 使用getpid获取调用进程的进程ID。
• 将程序添加到Makefile中的UPROGS。
• xv6上的用户程序只有有限的库函数可用。你可以在user/user.h中查看列表；源代码（系统调用除外）在user/ulib.c、user/printf.c和user/umalloc.c中。

从xv6 shell运行该程序，它应该产生以下输出：

    $ make qemu
    ...
    init: starting sh
    $ pingpong
    4: received ping
    3: received pong
    $
  

如果你的程序在两个进程之间交换了一个字节并产生了如上所示的输出，则你的解决方案是正确的。

primes /

你的目标是使用pipe和fork来设置管道。第一个进程将数字2到35送入管道。对于每个素数，你将安排创建一个进程，该进程通过管道从其左邻居读取数据，并通过另一个管道向其右邻居写入数据。由于xv6的文件描述符和进程数量有限，第一个进程可以在35处停止。

一些提示：

• 注意关闭进程不需要的文件描述符，否则你的程序会在第一个进程到达35之前耗尽xv6的资源。
• 一旦第一个进程到达35，它应该等待整个管道终止，包括所有子进程、孙进程等。因此，主primes进程应该只在所有输出都已打印且所有其他primes进程都已退出后才退出。
• 提示：当管道的写端关闭时，read返回零。
• 最简单的方法是直接将32位（4字节）int写入管道，而不是使用格式化的ASCII I/O。
• 你应该只在需要时才创建管道中的进程。
• 将程序添加到Makefile中的UPROGS。

如果它实现了基于管道的筛法并产生以下输出，则你的解决方案是正确的：

    $ make qemu
    ...
    init: starting sh
    $ primes
    prime 2
    prime 3
    prime 5
    prime 7
    prime 11
    prime 13
    prime 17
    prime 19
    prime 23
    prime 29
    prime 31
    $
  

find

一些提示：

• 查看user/ls.c了解如何读取目录。
• 使用递归使find能够下降到子目录。
• 不要递归进入"."和".."。
• 对文件系统的更改在qemu运行期间持续存在；要获取干净的文件系统，先运行make clean，然后运行make qemu。
• 你需要使用C字符串。请查阅K&R（C语言书），例如第5.5节。
• 注意==不像Python那样比较字符串。请使用strcmp()。
• 将程序添加到Makefile中的UPROGS。

如果产生以下输出（当文件系统包含文件b和a/b时），则你的解决方案是正确的：

    $ make qemu
    ...
    init: starting sh
    $ echo > b
    $ mkdir a
    $ echo > a/b
    $ find . b
    ./b
    ./a/b
    $ 
  

xargs

    $ echo hello too | xargs echo bye
    bye hello too
    $
  

请注意，UNIX上的xargs做了一个优化，它会一次向命令传递多个参数。我们不希望你做这个优化。要使UNIX上的xargs按照本实验的要求运行，请使用-n选项设置为1。例如

    $ echo "1\n2" | xargs -n 1 echo line
    line 1
    line 2
    $
  

一些提示：

• 使用fork和exec在每行输入上调用命令。在父进程中使用wait等待子进程完成命令。
• 要逐行读取输入，一次读取一个字符，直到出现换行符（'\n'）。
• kernel/param.h声明了MAXARG，如果你需要声明argv数组可能会用到。
• 将程序添加到Makefile中的UPROGS。
• 对文件系统的更改在qemu运行期间持续存在；要获取干净的文件系统，运行make clean，然后运行make qemu。

xargs、find和grep组合使用效果很好：

  $ find . b | xargs grep hello
  

要测试你的xargs解决方案，请运行shell脚本xargstest.sh。如果产生以下输出，则你的解决方案是正确的：

  $ make qemu
  ...
  init: starting sh
  $ sh < xargstest.sh
  $ $ $ $ $ $ hello
  hello
  hello
  $ $   
  

提交实验

在提交实验的最终更改之后，输入make handin来提交你的实验。

$ git commit -am "ready to submit my lab"
[util c2e3c8b] ready to submit my lab
 2 files changed, 18 insertions(+), 2 deletions(-)

$ make handin
tar: Removing leading `/' from member names
Get an API key for yourself by visiting https://6828.scripts.mit.edu/2020/handin.py/
Please enter your API key: XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
  % Total    % Received % Xferd  Average Speed   Time    Time     Time  Current
                                 Dload  Upload   Total   Spent    Left  Speed
100 79258  100   239  100 79019    853   275k --:--:-- --:--:-- --:--:--  276k
$

如果你运行make handin时有未提交的更改或未跟踪的文件，你将看到类似以下的输出：

 M hello.c
?? bar.c
?? foo.pyc
Untracked files will not be handed in.  Continue? [y/N]

如果make handin不能正常工作，请尝试修复curl或Git命令的问题。或者你可以运行make tarball。这将为你制作一个tar文件，然后你可以通过我们的web界面上传。

可选挑战练习

• 编写一个uptime程序，使用uptime系统调用以tick为单位打印运行时间。

• 在find的名称匹配中支持正则表达式。grep.c有一些基本的正则表达式支持。

• xv6 shell（user/sh.c）只是另一个用户程序，你可以改进它。它是一个最小的shell，缺少许多真实shell中的功能。例如，修改shell使其在处理来自文件的shell命令时不打印$，修改shell以支持wait，修改shell以支持用";"分隔的命令列表，修改shell通过实现"("和")"来支持子shell，修改shell以支持tab补全，修改shell以保留已执行的shell命令的历史记录，或者任何你希望shell实现的功能。（如果你非常有野心，你可能需要修改内核以支持你需要的内核特性；xv6不支持太多特性。）