MIT 6.1810 · 第 1 课

导论与概述

操作系统是什么？为什么需要它？本课程从 UNIX 系统调用入手，带你走进操作系统的世界，以 xv6 为案例探索内核的核心机制。

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什么是操作系统？

一台计算机由 硬件（CPU、RAM、磁盘、网卡等）和 用户应用程序（shell、编译器、数据库等）组成。操作系统（O/S）位于应用程序与硬件之间，其核心是 内核（kernel），提供文件系统、进程管理、内存管理、网络等服务。

层次	例子
用户应用程序	sh, cc, DB, grep, echo
内核服务	FS, processes, memory, network
系统调用接口	open, read, write, fork, exec, pipe
硬件	CPU, RAM, disk, NIC

操作系统的目的

为什么学习操作系统？

• 对计算机系统的内部运作感到好奇
• 需要追踪 bug 或安全问题——很多 bug 的根源在内核
• 关注高性能——理解系统调用、内存管理才能写出高效程序
• 日后可能在数据库、网络、嵌入式等领域工作，都需要 OS 知识

课程结构

授课内容

• O/S 核心思想与机制
• 以 xv6 为案例——一个为教学设计的类 UNIX 操作系统，代码量小但五脏俱全
• 阅读经典与前沿 O/S 论文
• 课前作业：针对阅读材料回答问题

实验（Labs）

实验是 6.1810 的核心，占期末总评的 50%。实验分三类：

类型	内容	示例
系统编程	使用系统调用编写应用	UNIX shell
O/S 原语	实现内核基本功能	线程切换
内核扩展	在 xv6 上添加新机制	网络协议栈

重要提示：大部分实验一周完成，请尽早开始！

评分构成

项目	比例
实验（Labs）	50%
期中 + 期末考试	30%
实验检查面谈	15%
课前作业	5%

介绍 UNIX 系统调用

应用程序通过 系统调用（system call） 与操作系统交互。它们看起来像函数调用，但实际上会切换到内核态执行，同时保持用户/内核隔离。

例 1：ex1.c — 复制输入到输出

// ex1.c: 从标准输入读，写到标准输出
char buf[64];
int n;
while((n = read(0, buf, sizeof(buf))) > 0) {
    write(1, buf, n);
}

read(fd, buf, n) 与 write(fd, buf, n) 是系统调用。第一个参数 fd（file descriptor）是"文件描述符"——UNIX 中一切皆文件的抽象：

• fd 0 = 标准输入（stdin）
• fd 1 = 标准输出（stdout）
• fd 2 = 标准错误（stderr）

read() 返回实际读取的字节数，出错返回 -1。UNIX I/O 是 8 位字节流，具体解释由应用程序决定。

例 2：ex2.c — 创建文件

// ex2.c: 创建文件并写入
int fd = open("out", O_WRONLY | O_CREATE);
write(fd, "x", 1);
close(fd);

open() 返回一个新的 fd，是一个小整数，索引到内核维护的每个进程的文件描述符表。不同进程的 fd 命名空间独立，所以 fd 3 在不同进程中通常指代不同的文件。

例 3：ex3.c — 创建新进程

// ex3.c: fork 创建新进程
int pid = fork();
if (pid == 0) {
    // 子进程执行这里
    printf("child\n");
} else {
    // 父进程执行这里
    printf("parent, child pid=%d\n", pid);
}

fork() 复制当前进程——包括指令、数据、寄存器、fd 表、当前工作目录。父子进程初始状态几乎完全相同，唯一的区别是 fork() 的返回值：父进程得到子进程的 pid，子进程得到 0。

例 4：ex4.c — 加载并执行新程序

// ex4.c: exec 替换当前程序
char *argv[] = { "echo", "a", "b", "c", 0 };
exec("echo", argv);
printf("exec failed\n");  // 如果 exec 成功，永远不会到这里

exec() 丢弃当前进程的指令和数据内存，从文件加载新的程序，但保留文件描述符。如果成功，exec() 不会返回。

例 5：ex5.c — Shell 如何运行程序

// ex5.c: fork + exec + wait
int pid = fork();
if (pid == 0) {
    exec("echo", argv);  // 子进程执行新程序
    exit(1);             // exec 失败时退出
}
wait(0);  // 父进程等待子进程结束

Shell 对每个命令都用 fork() 创建子进程，子进程调用 exec() 运行程序，父进程调用 wait() 等待。exit(status) 通过 wait(&status) 向父进程传递 32 位状态：0 表示成功，1 表示出错。

例 6：ex6.c — I/O 重定向

// ex6.c: 实现 echo hello > out
close(1);              // 释放 fd 1
open("out", O_CREATE | O_WRONLY);  // 新文件获得 fd 1
exec("echo", argv);    // echo 的 stdout 现在指向 out

open() 总是选择最小的未使用 fd。先 close(1)，再 open() 就保证新文件获得 fd 1。fd 提供了间接层——程序只使用 0 和 1，不用关心输入输出的真正来源与去向。

例 7：ex7.c — 管道

// ex7.c: 实现 ls | grep x
int p[2];
pipe(p);         // p[0]=读端, p[1]=写端
if (fork() == 0) {
    close(1);
    dup(p[1]);   // 子进程 stdout 指向管道写端
    close(p[0]);
    close(p[1]);
    exec("ls", argv);
}
wait(0);
if (fork() == 0) {
    close(0);
    dup(p[0]);   // 子进程 stdin 从管道读端读取
    close(p[0]);
    close(p[1]);
    exec("grep", argv);
}

pipe() 创建一对 fd，写端写入的数据由内核缓冲，读端等到有数据后读取。管道是独立的抽象，但与 fork() > 组合后能优雅地实现进程间通信与流水线。

例 8 & 9：进程间通信与目录读取

例 8 展示父/子进程通过管道通信。例 9 展示目录的本质：目录也可以像文件一样 open() 再 read()，返回的是文件名列表。

思考题：为什么这样设计？

UNIX 的设计值得反复追问：

• 为什么 I/O 抽象成字节流？为什么提供文件系统？
• 为什么用 fd 间接？为什么不把文件名传给 write()？
• 为什么把 fork() 和 exec() 分开？

UNIX 的设计非常成功，但并非唯一好方案。理解设计的取舍，是学习操作系统的核心。

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知识检查

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本课要点

延伸阅读

• MIT 6.1810 课程主页 — 课程安排、实验、讲义
• xv6 教材 — 详细解释 xv6 设计与实现
• W. Richard Stevens, Advanced Programming in the UNIX Environment — UNIX 编程经典
• Dennis Ritchie, The Evolution of the Unix Time-sharing System — UNIX 历史回顾

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