222 lines
8.5 KiB
Plaintext
222 lines
8.5 KiB
Plaintext
基于磁盘的 OS
|
||
================================================
|
||
|
||
本节导读
|
||
------------------------------------------------
|
||
在有了对磁盘的控制能力后，我们的 os 也随之发生了一系列的改变，包括:
|
||
|
||
- 从磁盘加载文件(之前一直通过奇怪的操作打包进内存)
|
||
- 更加完善的文件管理
|
||
- 支持命令行参数
|
||
- 支持 IO 重定向
|
||
|
||
这一节我们介绍前两点，下一节介绍后两点的实现。
|
||
|
||
从磁盘加载文件
|
||
------------------------------------------------
|
||
|
||
之前，我们都通过 pack.py 和 kernelld.py 将用户软件的镜像打包进内存。但内存并不是持久化的存储介质，一旦掉电就会失效，因此把用户程序存储在磁盘上，有需要的时候从磁盘加载才是科学的方式，我们来看看要办到这一点需要那些修改。
|
||
|
||
首先，我们不再需要 pack.py kernelld.py 等脚本，仅仅保留了一个为了测试方便的 initproc.py，这个脚本的唯一作用就是插入 INIT_PROC 这个 symbol。
|
||
|
||
接下来，os 主要的修改就主要集中在 bin_loader 这个函数了，:
|
||
|
||
.. code-block:: c
|
||
|
||
// 首先，不在需要传入 start, end 只需要传入对应的 inode 指针
|
||
// 所有的用户程序镜像已经打包到了磁盘里，这部分之后介绍
|
||
int bin_loader(struct inode *ip, struct proc *p)
|
||
{
|
||
ivalid(ip);
|
||
void *page;
|
||
// 不需要 pa 相关的东西，其实 start = 文件开头，length = 文件大小
|
||
uint64 length = ip->size;
|
||
// va 相关设定不变
|
||
uint64 va_start = BASE_ADDRESS;
|
||
uint64 va_end = PGROUNDUP(BASE_ADDRESS + length);
|
||
for (uint64 va = va_start, off = 0; va < va_end; va += PGSIZE, off += PAGE_SIZE) {
|
||
page = kalloc();
|
||
// 之前的 memmove 变为了 readi，也就是从磁盘读取
|
||
readi(ip, 0, (uint64)page, off, PAGE_SIZE);
|
||
// 由于 kalloc 会写入垃圾数据，不对其的部分还是需要手动清空
|
||
if (off + PAGE_SIZE > length) {
|
||
memset(page + (length - off), 0, PAGE_SIZE - (length - off));
|
||
}
|
||
mappages(p->pagetable, va, PGSIZE, (uint64)page, PTE_U | PTE_R | PTE_W | PTE_X);
|
||
}
|
||
// 其余部分不变
|
||
// map stack
|
||
// set trapframe
|
||
}
|
||
|
||
那么，用户程序是如何被打包成一个遵循上一节所说设定的磁盘镜像的呢？这就是 ``nfs/fs.c`` 的功劳了。我们可以使用 ``make -C nfs`` 来得到一个 fs.img 的镜像，对应的 ``nfs/Makefile`` 如下：
|
||
|
||
.. code-block:: Makefile
|
||
|
||
FS_FUSE := fs
|
||
$(FS_FUSE): fs.c fs.h types.h
|
||
|
||
fs.img: $(FS_FUSE)
|
||
./$(FS_FUSE) $@ $(wildcard $(U)/$(USER_BIN_DIR)/*)
|
||
|
||
可以看到 fs.c 会被编译为可执行程序 fs, 使用格式如下:
|
||
|
||
.. code-block:: console
|
||
|
||
fs 输出镜像名称 输入文件1 输入文件2 输入文件3 ...
|
||
|
||
Makfile 中，我们把 user 产生的所有 bin 文件作为输入文件。接下来我们简要解析 fs.c 的具体逻辑，同学们不需要完整的理解这段程序的逻辑，但想要正确的完成 lab7 的实验，必须对 fs.c 进行对应的修改。在 exercise 章节会有一定提示。
|
||
|
||
.. code-block:: c
|
||
|
||
// 一些全局常量定义
|
||
int NINODES = 200; // 文件系统设定的 inode 数量
|
||
int nbitmap = FSSIZE / (BSIZE * 8) + 1; // bitmap block 的数量
|
||
int ninodeblocks = NINODES / IPB + 1; // inode block 的数量
|
||
int nmeta; // meta 数据块的数量（含义下方解释）
|
||
int nblocks;
|
||
|
||
// 一些全局变量定义
|
||
int fsfd; // 输出镜像文件的 fd
|
||
struct superblock sb; // 超级块
|
||
char zeroes[BSIZE]; // BSIZE 大小的空 buf，用来清空某一个磁盘块
|
||
uint freeinode = 1; // 表示还空闲的 inode，每使用一个 inode 需要 +1
|
||
uint freeblock; // 表示还空闲的 block，每使用一个 block 需要 +1
|
||
|
||
int main(int argc, char *argv[])
|
||
{
|
||
int i, cc, fd;
|
||
uint rootino, inum, off;
|
||
struct dirent de;
|
||
char buf[BSIZE];
|
||
struct dinode din;
|
||
// 至少需要输入镜像的名称
|
||
if (argc < 2) {
|
||
fprintf(stderr, "Usage: mkfs fs.img files...\n");
|
||
exit(1);
|
||
}
|
||
// 创建输出文件
|
||
fsfd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);
|
||
|
||
// [ boot block | sb block | inode blocks | free bit map | data blocks ]
|
||
// meta data 包括： boot block, superblock, inode block, free bitmap
|
||
nmeta = 2 + ninodeblocks + nbitmap;
|
||
// nblocks 表示存放数据剩余的块数
|
||
nblocks = FSSIZE - nmeta;
|
||
|
||
// superblock 初始化
|
||
// xint() 的功能仅仅是转换字节顺序，大家可以忽略这个细节
|
||
sb.magic = FSMAGIC;
|
||
sb.size = xint(FSSIZE);
|
||
sb.nblocks = xint(nblocks);
|
||
sb.ninodes = xint(NINODES);
|
||
sb.inodestart = xint(2);
|
||
sb.bmapstart = xint(2 + ninodeblocks);
|
||
|
||
// 目前还空闲的的块，目前我们只占用了 meta data 的那些块
|
||
// 之后，没使用一块，freeblock 需要 +1。
|
||
freeblock = nmeta;
|
||
|
||
// wsect 会写输出镜像，把第 i 个块写为 buf，这里首先清空一遍
|
||
for (i = 0; i < FSSIZE; i++)
|
||
wsect(i, zeroes);
|
||
|
||
memset(buf, 0, sizeof(buf));
|
||
memmove(buf, &sb, sizeof(sb));
|
||
// 0 号块不处理
|
||
// 1 号快写为之前设定好的 superblock
|
||
wsect(1, buf);
|
||
|
||
// ialloc() 会分配一个空的 inode，并初始化 type，返回 inode id
|
||
rootino = ialloc(T_DIR);
|
||
|
||
// 从第二个参数开始都是需要打包的用户程序
|
||
for (i = 2; i < argc; i++) {
|
||
// 获得 basename，这是为了去掉前缀 "../user/target/bin/"
|
||
char *shortname = basename(argv[i]);
|
||
assert(index(shortname, '/') == 0);
|
||
|
||
// 打开对应的用户文件
|
||
if ((fd = open(argv[i], 0)) < 0) {
|
||
perror(argv[i]);
|
||
exit(1);
|
||
}
|
||
|
||
// 为每一个用户程序分配一个 inode
|
||
inum = ialloc(T_FILE);
|
||
|
||
// 为每一个用户程序分配一个根目录中的目录项
|
||
bzero(&de, sizeof(de));
|
||
de.inum = xshort(inum);
|
||
strncpy(de.name, shortname, DIRSIZ);
|
||
// 把该目录项写入根目录的数据块
|
||
// iappend 会像某一个 inode 对应的数据块后 append 数据
|
||
iappend(rootino, &de, sizeof(de));
|
||
// 读取该程序的数据并写入对应 inode 的数据块
|
||
while ((cc = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0)
|
||
iappend(inum, buf, cc);
|
||
|
||
close(fd);
|
||
}
|
||
|
||
// 更新 rootdir inode 对应的 size 数据，按数据快大小取整
|
||
rinode(rootino, &din);
|
||
off = xint(din.size);
|
||
off = ((off / BSIZE) + 1) * BSIZE;
|
||
din.size = xint(off);
|
||
winode(rootino, &din);
|
||
// balloc 完成 bitmap 的填写，把 [0, freeblock) 的块标记为已经使用
|
||
balloc(freeblock);
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
|
||
更加完善的文件管理
|
||
----------------------------------------
|
||
|
||
ch7 规范化了对于 fd 的管理，比如 0, 1, 2 不再是保留给 stdio 文件的 fd 参数，而是会在进程创建的时候给进程 3 个默认文件。为什么要这么做？这使得不需要的时候我们可以关闭 stdio 文件：
|
||
|
||
.. code-block:: c
|
||
|
||
// allocproc() 之后必须执行 init_stdio_files 来初始化 files
|
||
int init_stdio_files(struct proc *p)
|
||
{
|
||
for (int i = 0; i < 3; i++) {
|
||
p->files[i] = stdio_init(i);
|
||
}
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
|
||
struct file *stdio_init(int fd)
|
||
{
|
||
struct file *f = filealloc();
|
||
f->type = FD_STDIO;
|
||
f->ref = 1;
|
||
f->readable = (fd == STDIN || fd == STDERR);
|
||
f->writable = (fd == STDOUT || fd == STDERR);
|
||
return f;
|
||
}
|
||
|
||
同时 close 0,1,2 号文件不会失败并返回 -1，文件读写也不会直接根据 fd 判断，例如 sys_write:
|
||
|
||
.. code-block:: c
|
||
|
||
uint64 sys_write(int fd, uint64 va, uint64 len)
|
||
{
|
||
if (fd < 0 || fd > FD_BUFFER_SIZE)
|
||
return -1;
|
||
struct proc *p = curr_proc();
|
||
struct file *f = p->files[fd];
|
||
switch (f->type) {
|
||
case FD_STDIO:
|
||
return console_write(va, len);
|
||
case FD_PIPE:
|
||
return pipewrite(f->pipe, va, len);
|
||
case FD_INODE:
|
||
return inodewrite(f, va, len);
|
||
default:
|
||
panic("unknown file type %d\n", f->type);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
之后我们会看到，这使得文件重定向成为了可能， // TODO |