前言 #

五月份我做完 MIT6.1810 的 Lab 后，一直没有做回顾

虽然有零散的 xv6 book 与 源码阅读笔记，还是没有完成把知识体系化的工作

因此我决定重读一次 xv6 ，一方面是为了复盘项目，捋一遍 OS 设计的 best parctice，另一方面，也是通过产出文本的手段来丰富个人博客，准备面试

本系列会以 程序流 的视角展开写作，从而表现系统中的逻辑关联，编排顺序较为随意

以讨论设计为主，对基础概念会一笔带过，不会大量罗列代码，请自行结合源码阅读

一 #

我们从启动流程开始，检查初始化过程，认识 xv6 的系统模块

源码文件：

• entry.S
• start.c
• main.c

启动流程：

1. 机器启动，将 kernel 加载到内存
2. 运行 entry.S，为每个 CPU 设置运行栈，此时为 machine mode
3. 运行 start，进行一些初始配置，切换为 kernel mode
4. 运行 main，初始化各个模块，创建首个进程，切换为 user mode
5. 运行 init，设置标准 I/O，启动 shell，开始提供服务

混沌状态 #

机器刚刚启动时，我们还没有完成好基础设施的配置，如何完成上面的流程呢？

• 加载 kernel，用的是预留的 load 程序
• 将 entry.S 放在 kernel 的起始地址 0x80000000，作为物理上的程序起点
• 通过 call start ，并重定向 ret 的返回地址到 main ，依次执行 start, main
• 再调用userinit()，通过调度器自然转到 init 进程，正常调用 shell 循环

到这里完成开机，成功地将启动过程 透明化

初始化模块 #

下面是启动过程中涉及到的模块

start ：

• 时钟中断，用于虚拟化 CPU，切换进程
• 页表映射，用于虚拟化内存地址

main ：

• 内存池、分页，用于分配用户空间，虚拟化内存
• trap 中断，用于响应异常，实现系统调用
• 进程管理，用于分配资源，管理进程
• 文件系统，用于控制文件读写
• PLIC、设备驱动、磁盘

加上用于控制并发的锁 ，基本已经涵盖我们所需要的基础设施，这些就是我们讨论的主题了

第一个进程 #

初始化结束后，main 会调用 proc.c/userinit ，创建第一个进程 initcode.S，引导执行 init.c 程序

随后 init 再 fork 第二个进程 shell，作为 dummy proc 进入死循环，等待停机

而 shell 负责接收用户输入，提供 OS 服务，启动流程结束

二 #

下面讨论 OS 服务的底层逻辑

分时系统 #

OS 需要同时响应多个用户的任务，因此产生 虚拟化 CPU 的设计

我们为用户进程提供独占 CPU 的假象，透明地进行 CPU 调度，保存进程的执行上下文，这就是 进程管理

隔离空间 #

OS 需要对用户屏蔽底层存储的细节，因此产生 虚拟化内存 的设计

我们为用户进程提供独占 内存 的假象，借此隔离不同进程，动态分配物理地址，这就是 页表机制

操控权限 #

我们的 CPU 数量是有限的，如果都运行着用户进程，OS kernel 又如何发挥作用呢？

必须让 kernel 夺取运行权限，这种抢夺机制又可以用来处理 异常与设备 I/O，这就是 中断机制（Trap）

记录结果 #

程序的运行结果需要持久化，存储在磁盘里

我们不可能精确到磁道层面去考虑问题，需要 OS 层面提供足够好的抽象

Unix 的选择是 文件、管道、设备 的字节流抽象，加上对文件结构的组织与保护，构成了文件系统

API #

用户编写的程序，应该是面向 OS 接口的，我们向外提供的 API 就是他们与系统交互的唯一方式

但是我们也必须假设有恶意用户的存在，需要对资源进行保护，只有 kernel 才能操作敏感资源，这就是 系统调用 的想法

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以上就是这些设计的动机，我们会分别进行展开讨论