一份我学习 mit 6.s081 操作系统课程时的笔记，gitbook链接

xv6 Learning

操作系统接口

操作系统的四大职能

资源共享：在多个程序间分配计算机资源。
硬件抽象：提供比底层硬件更易用的服务（如 Word 无需关心硬盘型号）。
多路复用：让多个程序看起来在同时运行。
受控交互：管理程序间的数据共享与协作。

我的理解是一种“中介”角色，操作系统在硬件和应用程序之间提供一个抽象层，使得应用程序可以更方便地使用硬件资源，而不需要直接与硬件打交道。

内核与系统调用

内核 (Kernel)：向运行程序提供服务的特殊程序。
进程 (Process)：运行中的程序，拥有独立的指令、数据和栈空间。
硬件保护机制：内核拥有硬件特权，而用户进程没有。
系统调用 (System Call)：
- 用户进程请求内核服务的唯一接口。
- 执行时硬件特权级提升，进入内核，完成后返回用户空间。

shell ——system call——> kernel

进程总是在用户空间和内核空间之间交替运行。

核心机制详解

A. 进程管理 (Process & Memory)
- xv6 进程由两部分组成，一部分是用户内存空间（指令，数据，栈），另一部分是仅对内核可见的进程状态。
- fork()：创建一个与父进程内存完全相同的子进程。返回值：父进程获得子进程 PID；子进程获得 0。
- exec(filename, argv)：用新程序替换当前进程的内存空间，从入口点重新执行。
  - 在这里我的理解出现了一些障碍，解释一下：内存包括了代码段、数据段、堆栈等。exec 操作时先从path加载可执行文件到内存，而argv则是动态参数，放在栈上。exec后，进程的内存空间被新程序覆盖，原有的代码和数据都被替换掉了，但栈上的参数仍然可以被新程序访问到。
- wait()：父进程等待子进程退出。
- sbrk(n)：动态增加进程内存。
- 核心设计：将 fork 和 exec 分开，使得 shell 可以在子进程执行新程序前，对其 I/O 环境进行配置。
B. I/O 与文件描述符 (File Descriptors)
- 本质：一个小的整数，代表内核管理的 I/O 对象（文件、管道、设备）。
- 默认约定：0 (stdin), 1 (stdout), 2 (stderr)。
- 常用调用：read / write（基于当前偏移量操作）、close、dup（复制描述符）。
- 重定向原理：fork 出子进程 -> close(0) -> open("file")（系统会自动分配最小可用号，即 0）-> exec。
C. 管道 (Pipes)定义：内核维护的一个环形缓冲区，暴露为一对文件描述符（读端和写端）。
- 特性：
  - 自我清扫：任务结束自动销毁。
  - 流式传输：可传输任意长度数据。
  - 阻塞同步：读端会等待写端写入数据或关闭。
D. 文件系统 (File System)
- 结构：目录树。
  - Inode：文件的底层标识，一个 Inode 可以对应多个文件名（通过 link 实现）。
  - 设备文件：通过 mknod 创建，读写操作被内核转发到具体的硬件驱动。
  - unlink：删除文件名。只有当 Inode 的链接数减为 0 且无进程打开时，数据才会被真正从磁盘擦除。