操作系统接口一

操作系统接口一 书接上文超神之路，言归正传，圆规正传。

进程和内存

进程有自己的内存空间(指令 数据 和栈)，翻译这段话真别扭。操作系统可以在一组需要执行的进程之间进行切换，当一个进程没有执行时，系统会保存进程的寄存器状态，在下一次执行的时候恢复状态。是不是很简单，简单，你写一个试试。内核会给每个进程分配一个进程标识，就是经常看到的pid。

利用fork可以创建一个新的进程，这个是什么意思?

看看fork

int pid = fork();
if(pid > 0){
     printf("parent: child=%d\n", pid);
     pid = wait();
     printf("child %d is done\n", pid);} 
else if(pid == 0){
     printf("child: exiting\n");
     exit();
} else {
    printf("fork error\n");
}

首先父进程调用fork，产生子进程，子进程拥有和父亲相同内容的内存空间。最奇怪的就是fork调用会返回两次，所以后面就是两个程序了，就像影分身。在父进程里面返回子进程的进程id，在子进程里面返回0(为啥喜欢这样干，迷惑吧)。

exit调用会终止进程，且释放内存和文件资源。wait会等待子进程退出。

程序的输出

parent: child=1234// p
child: exiting      //c
parent: child 1234 is done

p和c的顺序不是一定的，看谁首先获得调度，但是最后一句肯定在后面。现在两个程序有不同的寄存器和内存，改变一个变量不会影响另外一个。

exec这个系统调用，会从文件系统中加载一个可执行文件，替换掉当前的进程内存空间。这个文件需要符合一定的格式，包含指令，启动地址，和数据，调用以后直接执行启动命令。

char *argv[3];
argv[0] = "echo";
argv[1] = "hello";
argv[2] = 0;
exec("/bin/echo", argv);
printf("exec error\n");

这两个的区别是一个复制父进程，一个替换，是不是有点难以理解，为啥不新建一个(如果你也思考了这个问题，那后面就会有回答)，再做处理，这可能是进程资源创建的问题。exec会分配足够的内存，如果不够用，再进行系统调用分配内存。

是不是感觉获得了一甲子功力?孩子别傻，现在还早，到现在一切还流于表面，后续的路还多着。请不要着急，耐心一点。

io和文件描述符

文件描述符是一个小整数，代表进程要读写的对象，这没有什么奇怪的，汇编里面也支持读写文件，在上一节中，可以在寄存器里填上值，代表不同的操作。

这里的文件描述符，代表一种抽象的文件，可以是文件，设备，管道，都当做一种字节流来处理。

每个进程都保存这一个文件资源表格，默认从0开始，代表输入，1代表输出，2代表错误。shell为了实现重定向(> <)和管道(|)，要确保这几个总是打开的状态。

read会读取几个字节到buf里面，返回字节数，如果没有了就返回0。这里初学者比较难以理解的就是为啥要buf，一下把文件读入内存不就得了，得到我要的字符串就好了。这肯定没有考虑到大文件的情况，内存放不下的时候，一般测试者这里只是一个有几字节的小文件而已。刚开始嘛，想一下子解决问题，谁会想到用这些奇怪的技巧，但是起码得涨下经验吧。write类似就不说了。

基本的cat实现(单纯用c语言的getchar putchar 也可以实现)

char buf[512];
int n;
for(;;){
   n = read(0, buf, sizeof buf);
   if(n == 0)break;
   if(n < 0){
       fprintf(2, "read error\n");
       exit();
  }
  if(write(1, buf, n) != n){
       fprintf(2, "write error\n");
       exit();
  }
}

注意这里的cat基本不知道从哪里读，往哪里写，是文件还是管道。
还有一点没有提的就是，fork和exec调用都会保存父进程的文件表格，所以借用这些就可以实现重定向。

cat <input.txt

char *argv[2];
argv[0] = "cat";
argv[1] = 0;
if(fork() == 0) {
close(0);
open("input.txt", O_RDONLY);
exec("cat", argv);
}

因为在exec->cat后，进程的0文件还是input.txt里面的内容,当然这次1就成了控制台了。

其他

(真是个好的分类，什么都可以扔这里，因为到这里已经写的很累了，读者肯定也累了，也不要期望，一下子理解，因为我觉得不可能。我会分出一篇接口二。)

管道利用了一些类似的技巧，可以得到期望的文件描述符。
文件系统很值得学习的就是路径的表示方法，是树这种数据结构一种神来之笔，树真的是一种强大的数据结构，无处不在。互联网也有这种路径的表示方法的意思，包括最近rest接口定义。

文件实现相关的肯定需要了解磁盘的结构了，后面再说吧，cpu本身就有文件的读写指令。这种将各种设备资源抽象成文件的方法，受到人们的追捧，我也不知道好不好。

总之里面shell展示了系统调用(如wait close等)的灵活组装方式，真可以感叹一些这些精巧是如何想到的，起码对于我来说很不自然。

总结

一些目前学到的东西，以便更好的前行。首先是一些超凡脱俗的名词，看文章首的接口图片，还有一些没有讲到的自己查阅。大师是命名高手，一个词汇代表了太多的东西，绝逼是抽象派的。

良好的接口定义，可以让系统容易实现，且拥有灵活的组合方式，毕竟接口定义了这个操作系统，你说牛不牛。Java有jnr实现了一系列底层的接口，js都可以加载操作系统了。如今docker和openstack如日中天，你说不学点操作系统对得起谁?接口说完了，该说一下实现了，对不起这篇文章已经太长了，期待下一篇吧，下次要火力全开了。

这系列教程，是在阅读一些书籍和代码过程的记录，基本是xv6的翻译了(晕吧) 。如果你读到更好的文章推荐给我，我不写了。欢迎阅读我的其它文章。