操作系统理论

前言

操作系统课是一门计算机专业的基础课，这门课虽然看上去有点泛泛而谈，但它涉及的知识却是计算机中比较系统和全面的基础内容。一个没有操作系统理论的程序员，或者从业人员，可能并不影响它的实际开发和工作，但是当他们回顾这门课，也能从里面获得不少真知灼见，从而扩展自己的认识和加身自己的理解。

机器启动

x86 为例。开机复位，进入 16bit 模式，cs:ip = ffff0，该地址为硬件厂家的配置的 rom 固件程序（firmware），该程序就是 bios 或者 uefi。

bios 将引导设备的 0x7c00 位置数据读取引导程序（如 grub），然后引导程序再加载系统（linux、windows 等），并最终运行系统。

qemu seabios：开源代码 https://www.seabios.org/SeaBIOS

模拟器 qemu：

# 实验代码：curl -Lvo linux-minimal.zip 'http://box.nju.edu.cn/f/3f67e092e1ba441187d9/?dl=1'
# 制作启动映像
cd initramfs && find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip > ../build/initramfs.cpio.gz

# 使用虚拟机启动内核和映像
qemu-system-x86_64 \
          -nographic \
          -serial mon:stdio \
          -m 128 \
          -kernel vmlinuz \
          -initrd build/initramfs.cpio.gz \
          -append "console=ttyS0 quiet acpi=off"

# qemu 调试快捷键：ctrl + a; c

# busybox 是一个单文件工具包，使用方式 busybox ls
# 创建快捷方式
for i in $(busybox --list)
do 
    busybox ln -s busybox "\bin\$i"
done

# 挂载内核信息文件系统
mkdir -p /proc
mkdir -p /sys
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys

# 提示符
export PS1='(busybox)# '

进程

spawn
fork：创建进程分支（完全复制，被复制的 fork 返回 0，两个进程继续执行）
execve：创建新进程
exit：关闭进程
1. atexit：退出 c 程序，负责清理
2. _exit：退出并关闭所有线程, syscall exit_group
3. syscall(SYS_exit,0)：旧款，退出当前线程， syscall exit

内存

pmap：内存布局 /porc/$pid/maps
1. rwxsp: 权限：读、写、执行、共享、私有
vdso: virtual system calls 虚拟系统调用
1. vvar: 系统共享变量
mmap:内存映射（可实现文件的惰性加载）
1. munmap：回收
2. mprotect：修改权限

// 游戏修改器
FILE *fp = popen("pidof dosbox", "r");
fscanf(fp, "%d", &pid);

sprintf(buf, "/proc/%d/mem", pid);
fd = open(buf, O_RDWR);

scan(fd)
write(fd)

// 热更新
// 48 b8 ff ff ... movabs $0xfff.., %rax
// ff e0           jmpq *%rax
#define ROUNDDOWN(ptr) ((void*))(((uintptr_t)ptr & ~0xfff))
size_t pg_size = sysconf(_SC_PAGESIZE);
char* pg_boundary = ROUNDDOWN(old);
int flags = PROT_WRITE | PROT_READ | PROT_EXEC;

mprotect(pg_boundary, 2 * pg_size, flags);
// 在原函数头部插入跳转指令，跳到新函数
memcpy(old + 0, "\x48\xb8", 2);
memcpy(old + 2, &new, 8);
memcpy(old + 10, "\xff\xe0", 2);
mprotect(pg_boundary, 2 * pg_size, flags & ~PROT_WRITE);

shell

cli （command line interface）命令行和 gui（graph user interface）图形用户接口是内核的外壳（shell）。有了 shell，就可以将用户的操作，转化为机器的指令。所以 shell 也是一门编程语言。

管道：

pipe()：创建管道
dup()：复制管道
close()：关闭管道
/dev/tty : 默认管道是当前终端

信号：

signal()：注册信号处理函数。系统很多异常是以信号方式通知程序来处理。

会话（session）：首先创建会话，然后会话内有进程组（process group），进程组（process group）内有 n 个进程。控制终端（controulling terminal）标记进程组是否后台执行，任何时候只有一个前台进程，信号会发送到这个进程组。

// 实验代码：curl -OvL http://jyywiki.cn/pages/OS/2022/demos/sh-xv6.c
// zig cc sh-xv6.c -o sh -nostdlib
// 注意：只能调用当前目录下的程序或给出路径来调用，因为没有 PATH 机制
// 简单的 shell
// 1. 解析命令
// 2. 系统调用

libc

libc 是 c 语言的标准库，他是很多应用程序的直接基础，因此当你实现一个 libc，就可以移植很多相关的实用程序到你的系统中去。

类型移植：

stddef.h
stdint.h
stdbool.h
float.h
limits.h
stdarg.h
inttypes.h

系统调用封装：

文件描述符封装：

stdio.h

进程状态封装：

err.h

地址空间封装：

malloc()
free()

参考

操作系统的状态机模型 (操作系统的加载; thread-os 代码讲解) [南京大学2022操作系统-P9]：https://www.bilibili.com/video/BV1yP4y1M7FE

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