一、思考題

1. 思考6.1

示例程式碼中，父程序操作管道的寫端，子程序操作管道的讀端。如果現在想讓父程序作為“讀者”，程式碼應當如何修改？

修改後程式碼如下（交換case 0 和default部分的程式碼）：

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int fildes[2];
/* buf size is 100 */
char buf[100];
int status;
int main(){
    status = pipe(fildes);
    if (status == -1 ) {
        /* an error occurred */
        printf("error\n");
    }
    switch (fork()) {
        case -1: /* Handle error */
            break;
        case 0: /* Child - writes to pipe */
      close(fildes[0]); /* Read end is unused */
         write(fildes[1], "Hello world\n", 12); /* Write data on pipe */
            close(fildes[1]); /* Child will see EOF */
            exit(EXIT_SUCCESS);    
        default: /* Parent - reads from pipe */
            close(fildes[1]); /* Write end is unused */
            read(fildes[0], buf, 100); /* Get data from pipe */
            printf("parent-process read:%s",buf); /* Print the data */
            close(fildes[0]); /* Finished with pipe */
            exit(EXIT_SUCCESS);     
    }
}
 

2. 思考6.2

上面這種不同步修改 pp_ref 而導致的程序競爭問題在 user/fd.c 中的dup 函式中也存在。請結合程式碼模仿上述情景，分析一下我們的 dup 函式中為什麼會出現預想之外的情況？

考慮這樣的虛擬碼：

if(fork() == 0) {
    dup(p[1]);
    read(p[0]);
}
else {
    dup(p[0]);
    write(p[1]);
}

注意到在dup函式中，先對fd執行syscall_mem_map，後對data執行syscall_mem_map。

子程序先開始執行，執行到dup和read之間時發生時鐘中斷，此時pageref(p[1]) == 1，pageref(pipe) == 1；父程序開始執行，在dup函式中執行到fd的map之後，data的map之前，此時pageref(p[0]) == 1，pageref(pipe) == 1；時鐘中斷，子程序再次開始執行，此時執行read函式，判斷髮現pageref(p[0]) == pageref(pipe)，誤認為是寫者全部結束，於是錯誤地返回了。

3. 思考6.3

閱讀上述材料並思考：為什麼系統呼叫一定是原子操作呢？如果你覺得不是所有的系統呼叫都是原子操作，請給出反例。希望能結合相關程式碼進行分析。

系統呼叫一定是原子操作，因為在通過系統呼叫陷入核心態時彙編程式碼關閉了時鐘中斷。

4. 思考6.4

仔細閱讀上面這段話，並思考下列問題

• 按照上述說法控制 pipeclose 中 fd 和 pipe unmap 的順序，是否可以解決上述場景的程序競爭問題？給出你的分析過程。

• 我們只分析了 close 時的情形，在 fd.c 中有一個 dup 函式，用於複製檔案內容。試想，如果要複製的是一個管道，那麼是否會出現與 close 類似的問題？請模仿上述材料寫寫你的理解。

• 可以解決。最初pageref(p[0]) = 2，pageref(p[1]) = 2，pageref(pipe) = 4；仍考慮子程序先執行，對p[1]執行close函式時先解除了對寫端fd的對映，之後發生時鐘中斷，此時pageref(p[0]) = 2，pageref(p[1]) = 1，pageref(pipe) = 4；父程序執行完close(p[0])後，pageref(p[0]) = 1，pageref(p[1]) = 1，pageref(pipe) = 3，父程序開始執行時仍不滿足寫端關閉的條件，因此競爭問題沒有出現。

• 在程式執行時，總滿足pageref(p[0]) ≤ pageref(pipe)，如果在dep中先對fd進行對映，此時fd的rep先增加，可能填補了二者的空隙，造成讀端已滿的假象（寫端同理），因此也會出現與close相似的問題，需要調整對映的順序。

5. 思考6.5

bss 在 ELF 中並不佔空間，但 ELF 載入進記憶體後，bss 段的資料佔據了空間，並且初始值都是 0。請回答你設計的函式是如何實現上面這點的？

與lab3實現幾乎完全相同，當系統呼叫執行sys_mem_alloc函式時進一步呼叫了page_alloc函式，其中有bzero使新分配的頁面內容全部為0，只要不向資料段錯誤地複製內容，即可保證該段初始值為0。

6. 思考6.6

為什麼我們的 *.b 的 text 段偏移值都是一樣的，為固定值？

觀察user/user.lds檔案內容，有如下程式碼：

. = 0x00400000;
​
  _text = .;           /* Text and read-only data */
  .text : {
     *(.text)
     *(.fixup)
     *(.gnu.warning)
     }

這說明所有檔案在連結時都以此規定相同的起始地址。

7.思考6.7

在哪步，0和1被“安排”為標準輸入和標準輸出？請分析程式碼執行流程，給出答案。

在user/init.c中，有如下程式碼，在此處將0和1安排為了標準輸入輸出：

close(0);
    if ((r = opencons()) < 0)
        user_panic("opencons: %e", r);
    if (r != 0)
        user_panic("first opencons used fd %d", r);
    if ((r = dup(0, 1)) < 0)
        user_panic("dup: %d", r);

二、實驗難點

1. 管道與程序切換

由於時鐘中斷可能在函式執行中間發生，而有時需要保證同步性，因此需要注意判斷是否在同一時間片內。_pipeisclosed函式中就需要運用env_runs變數計數程序執行次數，只有在同一次數內才能保證pageref的同步性。

2. spawn

在載入ELF檔案內容時，需要呼叫自己寫的usr_load_elf函式，這與lab3中的load_icode_mapper相似，不同之處在於本次位於使用者態下，而要實現兩個程序間內容的傳遞，需要通過系統呼叫，將檔案系統程序的一個暫時頁面對映到子程序所需頁面，之後檔案系統程序在該頁面的具體位置複製內容，子程序相應位置也就有了資訊，最後檔案系統程序再解除工具頁面的對映，開始下一個位置的對映。

三、體會與感想

本次lab用時13小時，相比於前幾個lab用時少了很多，也可能是因為到了考期，而且沒有了課上測試的要求，有些程式碼沒有很認真地理解，做得有些潦草。計劃考期結束後重新過一遍，加深對管道的理解。

實現完檔案系統和管道後，作業系統似乎更加有意思了起來，原來只是對著一塊黑黑的螢幕寫一些十分抽象的程式碼，執行結果也只是一些printf的輸出，而現在可以自己建立檔案，可以實現控制檯中斷，與控制檯互動等，隨便敲敲都會有顯示，於是像個沒見過世面的小孩子，覺得驚喜又有趣。

四、殘留難點

對填寫範圍以外的官方程式碼理解還不透徹，需要鞥更細緻的學習。